"De planeet is de bakermat van de geest, maar je kunt niet eeuwig in de bakermat blijven", schreef Konstantin Tsiolkovsky aan het begin van de 20e eeuw. Tegenwoordig praten wetenschappers er steeds meer over dat mensen vroeg of laat de aarde moeten verlaten en op zoek moeten gaan naar een nieuw huis.
Slaap niet
In sciencefictionboeken en -films worden de bemanningen van interstellaire schepen tijdens de vlucht meestal ondergedompeld in hangende animatie. Handig: een lange weg voor ze vliegt als een oogwenk voorbij. Als u deze situatie echter naar de werkelijkheid meet, ontstaan er onmiddellijk inconsistenties. Wat gebeurt er met het ruimtevaartuig tijdens de vlucht? Zal het zichzelf kunnen repareren en indien nodig herstellen, zullen de beveiligingssystemen rekening kunnen houden met alle risicofactoren en obstakels kunnen omzeilen? Wat als de technologieën die de anabiose van astronauten garanderen, falen, zoals in de recente film "Passengers", waarvan de personages 90 jaar eerder dan gepland wakker werden? Hoeveel onschatbare wetenschappelijke gegevens zal de mensheid nooit ontvangen als we vluchtexperimenten opgeven ten gunste van slaap?
Misschien lieten dergelijke vragen mensen nadenken over hoe ze de grenzeloze ruimte konden overwinnen zonder in slaap te vallen. Je kunt de "rotatiemethode" toepassen: elk jaar worden bijvoorbeeld verschillende astronauten wakker en nemen de controle over de toestand van het ruimtevaartuig. Een jaar later worden ze vervangen door de volgende. Maar wat als de mensheid tegen de tijd dat de expeditie is uitgezonden nog geen manier heeft gevonden om veilig in een lange slaap-opgeschorte animatie te duiken? Deze experimenten bevinden zich tot dusverre nog maar in een vroeg stadium.
Een still uit de film Pandorum.
Het resultaat van dergelijke discussies waren de projecten van "schepen van generaties". Het is een schip voor interstellaire reizen met een snelheid die veel lager is dan de snelheid van het licht. Zo'n schip zou duizenden jaren moeten vliegen. Gedurende deze tijd zullen de eerste kolonisten oud worden en sterven, hun nakomelingen zullen hun plaats innemen. Dit scenario zal zich vele malen herhalen voordat de expeditie op zijn bestemming aankomt.
Een van de beroemdste ontwerpen van generatieschepen was gebaseerd op de Orion. Dit "explode" (nucleair-pulsschip) werd halverwege de twintigste eeuw in de Verenigde Staten ontwikkeld. Hij zou zich verplaatsen vanwege een reeks nucleaire ladingen, geactiveerd op korte afstand achter het schip. Een deel van de explosieproducten raakte de "staart" van het ruimtevaartuig, waar een enorme reflectorplaat energie absorbeerde en deze met behulp van een systeem van schokdempers overbracht naar het ruimtevaartuig. De omvang van het Energy Limited Orion Starship-project is verbluffend: de diameter van het schip was 20 kilometer. Volgens de berekeningen van de ontwikkelaars zou dit schip in 1330 jaar het dichtstbijzijnde sterrenstelsel Alpha Centauri kunnen bereiken. De afmetingen van het schip waren voldoende om een echt schip van generaties te herbergen - in feite een kleine ruimtestad. NASA zette echter in op goedkopere projecten en Orion bleef een theorie.
Promotie video:
Als het echter anders was gegaan, hadden we dan vandaag de eerste kolonisten de ruimte in kunnen sturen? Helaas niet. Het concept van het ruimtevaartuig van de generatie lost veel van de theoretische problemen van lange ruimtevaart op - en creëert een aantal nieuwe problemen. We zullen ontdekken met welke moeilijkheden de schepen van generaties te maken kunnen krijgen en waar u rekening mee moet houden wanneer u naar verre sterren gaat.
Energiebeperkt Orion-ruimteschip.
Waar vliegen we heen?
Voorstanders van ruimtekolonisatie zijn onderverdeeld in twee groepen: iemand maakt projecten om Mars te terraformeren, en iemand weet zeker dat het vinden van een nieuwe aarde alleen in andere sterren te vinden is. Exoplanet-onderzoekers bevestigen dat het mogelijk is om een ruimtelichaam te vinden dat geschikt is voor leven buiten het zonnestelsel, hoewel dit niet eenvoudig is.
Voor een succesvolle hervestiging is het belangrijk dat de gevonden planeet in veel opzichten op de aarde lijkt. We hebben een temperatuur nodig die acceptabel is voor het aardse leven en water in vloeibare toestand. De ster waar de planeet omheen draait, moet zich zo "kalm" mogelijk gedragen - frequente en intense fakkels veroorzaken scherpe temperatuurschommelingen. De stroom van geladen deeltjes van een ster kan de atmosfeer van de planeet beschadigen en na verloop van tijd bijna het gehele gasomhulsel "afblazen". Misschien gebeurde dit in het zonnestelsel met Mercurius.
Het gebied rond de ster, waarin de planeten vloeibaar water kunnen hebben, wordt de bewoonbare zone genoemd. Dit is een soort "midden" zone van het planetenstelsel. De planeten erin staan niet te ver van de ster, ze krijgen genoeg energie zodat het water niet bevriest. Maar tegelijkertijd mogen ze niet te dicht bij de ster staan - het water kan verdampen. In de Engelstalige literatuur wordt deze site de "Goldilocks Zone" genoemd ter ere van het verhaal van een meisje dat met drie beren in een huis viel. Terwijl de dieren niet thuis zijn, besluit ze wat te gaan slapen en gaat ze afwisselend op drie bedden liggen: de ene is te hard, de andere is te zacht en de derde is precies goed.
Het lijkt erop dat ook wij eenvoudig alle planeten in een bepaald systeem kunnen "sorteren" en de juiste kunnen kiezen. Helaas zijn niet alle planeten in de bewoonbare zone geschikt voor ons: er is vloeibaar water op mogelijk, maar alle andere omstandigheden op het oppervlak van zo'n planeet kunnen ondraaglijk zijn voor aardbewoners.
In de zomer van 2016 kondigden astrofysici van de European Southern Observatory de ontdekking aan van de dichtstbijzijnde exoplaneet bij de aarde. Hij draait om Proxima Centauri, de ster die het dichtst bij het zonnestelsel staat, en wordt nu Proxima Centauri b genoemd. Volgens wetenschappers bevindt het zich in de bewoonbare zone van zijn ster en heeft het mogelijk vloeibaar water. Geen van de bekende klimaatmodellen spreekt dit tegen. Maar het is te vroeg om Proxima Centauri b ons nieuwe huis te noemen. Het is veel dichter bij zijn ster dan de aarde bij de zon, en de effecten die door deze nabijheid worden veroorzaakt, kunnen onvoorspelbaar zijn.
Potentieel bewoonbare exoplaneten. TRAPPIST-1-planeten worden nog niet vermeld.
Een nieuwe ontdekking uit begin 2017 - zeven exoplaneten bij de koele rode dwerg TRAPPIST-1 in het sterrenbeeld Waterman. Alle planeten zijn qua grootte vergelijkbaar met de aarde. Hypothetisch gesproken kunnen alle zeven planeten vloeibaar water hebben, maar het is hoogstwaarschijnlijk te vinden op de planeten TRAPPIST-1e, f en g. Astrofysici speculeren dat nieuwe telescopen - zoals de European Extremely Large Telescope, die in 2014 in Chili werd gebouwd - met zekerheid kunnen aantonen of deze planeten water hebben.
Het belangrijkste is dat zelfs de exoplaneet die het dichtst bij de aarde staat nog ver van ons verwijderd is. Het is 4,24 lichtjaar verwijderd - om dit pad af te leggen, zullen bestaande ruimtevaartuigen, zelfs zonder rekening te houden met de tijd voor versnelling en vertraging, tienduizenden jaren duren. Ter vergelijking: de planeten rond TRAPPIST-1 zijn ongeveer 40 lichtjaar verwijderd. De technologie gaat vooruit, maar de afstanden in de ruimte lijken nog steeds eindeloos. Dit zet ons keer op keer aan het denken over projecten als het schip van generaties.
Dit is hoe het oppervlak van de planeet TRAPPIST-1f eruit zou kunnen zien (NASA-illustratie).
Motoren van de toekomst
Maar misschien is er nog een manier om deze afstanden sneller af te leggen? De mogelijkheden van bestaande ruimtevaartuigen zijn duidelijk niet voldoende, maar er zijn nieuwe ontwikkelingen gaande. Een van de meest indrukwekkende projecten is het (fotonische) zonnezeil. Het maakt gebruik van de druk van licht op een spiegelend oppervlak. In het zonnestelsel kan een zeil worden aangedreven door zonlicht, en deze technologie bestaat al. In 2010 ging het Japanse ruimtevaartuig IKAROS (Interplanetary Kite-craft Accelerated by Radiation Of the Sun) de ruimte in. Het is uitgerust met een vierkant zeil met een zijde van 14 meter, bestaande uit vier bloembladen. Er zijn zonnepanelen aan vastgemaakt. De taak van IKAROS was om met succes het zonnezeil te openen en met zijn hulp te bewegen, en het Japanse apparaat loste dit ten volle op. De zonlichtdruk is echter relatief klein,daarom zullen we, om verder te gaan dan ons systeem, andere bronnen moeten gebruiken. Er zijn projecten om zo'n apparaat met een laser te overklokken. Het zonnezeil heeft onmiskenbare voordelen: het heeft geen brandstof nodig en kan op zichzelf relatief licht zijn. De mensheid heeft echter niet genoeg middelen om een interstellair zeilschip te lanceren. Zeer krachtige lasersystemen met hoge precisie of een fundamenteel nieuwe oplossing voor dit probleem zijn vereist. Zeer krachtige lasersystemen met hoge precisie of een fundamenteel nieuwe oplossing voor dit probleem zijn vereist. Zeer krachtige lasersystemen met hoge precisie of een fundamenteel nieuwe oplossing voor dit probleem zijn vereist.
Een andere veelbelovende motor die al bestaat, is de ionische. De werkvloeistof is geïoniseerd inert gas (argon, xenon) of kwik. De geïoniseerde stof wordt versneld in een elektrostatisch veld tot zeer hoge snelheden. Het systeem voor het extraheren van positieve ionen "trekt" ze uit de substantie en werpt ze de ruimte in, wat zorgt voor beweging. Ionenmotoren werden gebruikt in de Hayabusa (leverden in 2010 bodemmonsters van de asteroïde Itokawa naar de aarde) en Dawn (gelanceerd in 2007 om Vesta en Ceres te bestuderen).
Zo'n motor behaalt een hoge specifieke impuls en een laag brandstofverbruik. Het nadeel van moderne ionenmotoren is de extreem lage stuwkracht, dus zo'n schip zal niet vanaf de aarde kunnen lanceren, het zal buiten de planeet moeten worden gebouwd.
Dawn-apparaat (computergraphics).
Een ander interessant concept is de Bassard interstellaire raketmotor. Een schip dat met een dergelijke motor is uitgerust, vangt het materiaal van het interstellaire medium (inclusief waterstof) op met behulp van een "trechter" van een krachtig elektromagnetisch veld. De diameter van de trechter moet duizenden of zelfs tienduizenden kilometers zijn. De opgevangen waterstof wordt gebruikt in de thermonucleaire raketmotor van het schip. Dit zorgt voor de brandstofautonomie van het schip.
Helaas heeft deze motor ook veel technische beperkingen. De snelheid is niet zo hoog, want bij het vangen van elk waterstofatoom verliest het schip een bepaald momentum, en dit kan alleen worden gecompenseerd door stuwkracht bij een relatief lage snelheid. Om deze beperking te overwinnen, is het nodig manieren te vinden om de opgesloten atomen zo volledig mogelijk te gebruiken.
Dit is hoe een schip aangedreven door een Bassard-motor eruit zou kunnen zien (illustratie door Joe Bergeron).
Maatschappij aan boord
Hoeveel mensen kunnen op een interstellaire expeditie gaan? De beoordelingen van experts verschillen aanzienlijk. Dit ondanks het feit dat de meesten van hen optimistisch zijn over de duur van de vlucht in honderden, niet duizenden jaren. In 2002 suggereerde antropoloog John Moore van de Universiteit van Florida dat een bevolking van ongeveer 160 in een klein dorp voldoende zou zijn om een stabiele bevolking te creëren voor een vlucht van 200 jaar. Tegelijkertijd zal wrede "social engineering", zoals bij dystopieën, niet nodig zijn, de familie die ons bekend is, zal de basis worden van de ruimtekolonie. Elk zal ongeveer een dozijn geschikte huwelijkspartners hebben. Zelfs vandaag de dag - met een schijnbaar eindeloze keuze - overschrijden de meeste mensen dit aantal partners niet in termen van langdurige relaties.
In zulke kleine populaties bestaat echter het gevaar van verminderde genetische diversiteit. Het kan zowel geleidelijk als onverwacht afnemen. Zo zal de expeditie bij een gevaarlijke infectie een "bottleneck-effect" tegenkomen, waarbij de populatie sterk daalt en zich vervolgens geleidelijk herstelt. De genenpool wordt steeds armer, en dit wordt weerspiegeld in de nakomelingen van degenen die de ramp hebben overleefd. In het dierenrijk beïnvloedde dit effect de genetische diversiteit van cheeta's - er wordt aangenomen dat ooit slechts een paar individuen konden overleven. De soort stond op de rand van uitsterven, nu leven er over de hele wereld slechts ongeveer 7.000 cheeta's in het wild. Vanwege de lange, nauw verwante kruising, verschillen ze niet in resistentie tegen ziekten, en in het wild leven de meeste welpen niet tot een jaar.
Een andere bedreiging voor kolonisten is het oprichtereffect. Het komt voor wanneer een klein aantal vertegenwoordigers van een bepaalde soort een nieuw territorium bewoont. Ze behouden niet de volledige genenpool van de oorspronkelijke populatie, daarom kunnen ze ook worden geconfronteerd met het probleem van een geleidelijke vermindering van de genetische diversiteit.
Antropoloog Cameron Smith van de Portland State University berekende in 2013 dat tienduizenden mensen nodig zijn om deze bedreigingen het hoofd te bieden gedurende 150 jaar vluchten. Volgens hem heeft een stabiele bevolking ongeveer 40.000 mensen nodig, van wie er minstens 23.500 in de vruchtbare leeftijd zijn. De kolonie kan echter kleiner zijn als ze over een voldoende grote embryobank beschikt.
Een still uit de film Pandorum.
Ruimte in de kelder, ruimte in de woestijn
Al deze belangrijke vragen zullen natuurlijk nog lang alleen theoretisch blijven. De technologieën van vandaag zijn niet in staat een persoon naar naburige sterren te sturen, en dit zal lange tijd buiten onze macht liggen. Maar onderzoek, in de toekomst, dat de toekomst van de ruimte dichterbij kan brengen, inclusief schepen van generaties, is al tientallen jaren aan de gang.
Een van de bekendste soorten van dergelijke experimenten is het creëren van gesloten ecosystemen. Passagiers van het schip van generaties zullen er duizenden jaren in wonen, dus de kolonie moet volledig zelfvoorzienend zijn: er is nergens om op hulp te wachten. Deze ervaring zal nuttig zijn bij de ontwikkeling van een nieuwe planeet. Projecten om gesloten systemen te creëren begonnen in de jaren zeventig, kort na de landing van de mens op de maan.
In de USSR werd in 1968-1972 "BIOS-3" gebouwd. Wetenschappers van de Krasnoyarsk Academgorodok hebben in de kelder van het Instituut voor Biofysica een afgesloten ruimte gecreëerd met een afmeting van 14 × 9 × 2,5 m en een inhoud van ongeveer 315 m³, bestaande uit vier compartimenten. "Bemanningshutten" en uitrusting bezetten er slechts één, in de rest waren er camera's-fytotrons voor het kweken van planten en kwekers van microalgen. Er werden speciale rassen gebruikt: bijvoorbeeld speciaal gekweekte dwergtarwe met een verkorte steel. Er werden 10 experimenten uitgevoerd in BIOS-3, de langste duurde 180 dagen. De deelnemers slaagden erin om een volledig gesloten systeem van gas- en waterverbruik te creëren. Ze voorzagen zichzelf voor 80% van voedsel.
In het begin van de jaren negentig vond misschien wel het beroemdste experiment voor het creëren van een gesloten systeem, "Biosphere-2", plaats. In Arizona werd een complex van meerdere gebouwen en kassen opgetrokken op een terrein van ongeveer 1,5 hectare. Binnenin werden verschillende natuurgebieden gemodelleerd: tropisch struikgewas, savanne, mangrovebossen en zelfs de oceaan. Ongeveer 3000 soorten planten en dieren leefden in "Biosphere-2". Het projectteam bestond uit acht personen, zowel mannen als vrouwen. Ze ondersteunden het werk van water- en luchtcirculatietechnologie, hielden zich bezig met zelfvoorzienende landbouw en voerden verschillende experimenten uit.
Complexe biosfeer-2.
De eerste fase van het experiment duurde twee jaar. Een jaar lang waren de "kolonisten" in staat voedselproductie op gang te brengen: in de eerste maanden hadden de mensen constant honger. Later pasten ze zich aan het nieuwe dieet aan, en veel van de gezondheidsindicatoren van de deelnemers verbeterden als resultaat van het experiment, bijvoorbeeld verlaagde bloeddruk. Het grootste probleem was de daling van het zuurstofgehalte. Projectdeelnemer Jane Poynter herinnert zich: “Als je veel zuurstof verliest - en ons niveau is aanzienlijk gedaald, van 21% naar 14,2% - voel je je verschrikkelijk. Je wordt naar adem snakkend wakker omdat de samenstelling van je bloed verandert. In een droom stop je met ademen, dan adem je uiteindelijk in en word je wakker. Dit is vreselijk vervelend. En buiten was iedereen ervan overtuigd dat we dood gingen."
Aangenomen wordt dat het zuurstofniveau begon te dalen, omdat de micro-organismen van "Biosphere-2" zich actiever vermenigvuldigden dan verwacht. Hetzelfde gebeurde met insecten. Het was verboden om ze te vernietigen met behulp van pesticiden: dit zou het evenwicht van de kunstmatige biosfeer kunnen verstoren. Als gevolg hiervan moesten de organisatoren van het project gegevens vervalsen: de ontbrekende zuurstof werd in het systeem gepompt. Toen dit bekend werd, kwam er kritiek op de deelnemers aan het experiment. Maar het zuurstofpeil bleef dalen, ook bij gastoevoer van buitenaf, en precies twee jaar na de start werd de eerste fase van het project beëindigd. Over het geheel genomen bleek het experiment niet succesvol te zijn. Maar kleineer de betekenis van dergelijke experimenten niet. Ten eerste laten ze veel valkuilen zien bij berekeningen en helpen ze om meer realistische modellen te maken. Ten tweede lijken deze projecten op:Om ruimte te koloniseren is meer nodig dan krachtige motoren. Om op een dag andere planeten te bereiken, heeft de mensheid een grote verscheidenheid aan kennis en vaardigheden nodig.
Deelnemers aan het BIOS-3-experiment met de geoogste tarweoogst.
Een rel op een schip?
Veel moeilijkheden wachten de deelnemers aan duizendjarige expedities. Sommige problemen hebben te maken met het milieu: bijvoorbeeld de vernietigende effecten van ruimtestraling. Het kan bijdragen aan het ontstaan van kanker, schade aan het beenmerg en aandoeningen van het immuunsysteem. Daarom, als je de ruimte ingaat, moet je jezelf goed beschermen. Er zijn stralingsvoorspellingssystemen nodig die rekening houden met veel parameters. De belangrijkste taak is om de mate van schade aan de gezondheid te bepalen en constant een evenwicht te bewaren. Kolonisten zullen onvermijdelijk risico's moeten nemen en scheepsontwerpers zullen een manier moeten vinden om beschermende elementen op het schip aan te brengen zonder in te boeten aan laadvermogen.
Niet minder gevaarlijk zijn, vreemd genoeg, morele en ethische problemen. Mensen die oprecht toegewijd zijn aan hun werk, die geloven in de noodzaak om andere planeten te veroveren, gaan de ruimte in. Maar zullen hun nakomelingen dit geloof kunnen behouden en zullen ze dat willen? Wat als de vertegenwoordigers van de "tussenliggende" generaties zich op een dag opgesloten voelen in een hoogtechnologische ruimte-gevangenis? Ethiek moet een antwoord vinden op deze vragen, anders kunnen problemen niet worden vermeden.
Een still uit de film Pandorum.
De gevolgen zijn onvoorspelbaar: van pessimisme en apathie voor de bemanning tot openlijke conflicten. In de besloten ruimte van het schip zullen misverstanden over vaders en kinderen of ideologische geschillen catastrofaal worden. Dit wordt bevestigd door de geschiedenis van dezelfde "Biosphere-2". Toen duidelijk werd dat het zuurstofgehalte onverbiddelijk daalde, splitsten de onderzoekers zich in twee groepen. Sommigen wilden onmiddellijk de "biosfeer" verlaten, anderen wilden het project in elk geval tot een einde brengen. Er wordt gezegd dat het conflict zo groot is geworden dat veel van de oud-deelnemers aan het experiment nog steeds niet met elkaar praten. Maar ze brachten slechts twee jaar door in een gesloten systeem!
Dus terwijl de mensheid net begint aan het pad naar de sterren. Er is veel meer onderzoek nodig om haalbare ontwerpen te maken voor een zichzelf in stand houdende ruimtekolonie en een betrouwbaar interstellair ruimtevaartuig.
Natalia Pelezneva
