Теоретически возможные космические мегаструктуры

Пожалуй, основная масса научной фантастики за всё время её существования — со времён «Полёта на Луну прямым путём за 97 часов 20 минут» Жюля Верна — так или иначе оперирует грандиозными продуктами научно-инженерной мысли. С развитием прогресса расширялись и границы фантазии учёных и писателей, и сегодня в научно-популярной и фантастической литературе уже описаны инженерные сооружения, которые по масштабу и смелости замысла заслуживают термина «мегаструктуры». Мы решили собрать своеобразный рейтинг таких структур. С какими-то из них вы уже знакомы, а какие-то окажутся в новинку.

Космический лифт

(с)

Идею лифта впервые сформулировал ещё Константин Циолковский в 1895 году. Сегодня эта технология рассматривается в качестве будущего способа дешёвого и постоянного доступа на околоземную орбиту. Трос, уходящий в небо на десятки тысяч километров, за геостационарную орбиту, по которому перемещается подъёмник, перевозящий в космос грузы и космонавтов. Один конец троса будет закреплён на поверхности планеты, а второй с привязанным противовесом будет располагаться выше геостационарной орбиты. В роли противовеса может выступать подходящий астероид.



В идеале, космический лифт должен стать шагом к созданию космической верфи. Согласно ряду исследований, лифт можно будет построить после изобретения чрезвычайно прочных материалов. Например, в качестве перспективного материала рассматриваются углеродные нанотрубки. Хотя некоторые учёные сомневаются, что даже прочности этого материала будет достаточно, чтобы трос не разорвался.

Стэнфордский тор

Это первая и самая маленькая из кольцевых обитаемых структур в нашем списке. Своё название стэнфордский тор получил благодаря 10-недельной программе разработки инженерных систем, проходившей в 1975 году среди студентов Стэнфордского университета. В том году группа учащихся предложила создать обитаемую станцию-колонию на 10 000 жителей в виде тороидальной конструкции диаметром 1,8 км. Точнее, она была бы похожа на колесо: в центре станции было предложено разместить «ступицу», состоящую из системы зеркал, отражающих свет на внутреннюю часть тора.





Ступица должна соединяться с ободом посредством радиальных транспортных коридоров, в ней же должны располагаться причальные шлюзы. Для обеспечения искусственной гравитации на уровне 1 g, станция вращается вокруг оси, проходящей перпендикулярно плоскости тора, со скоростью 1 оборот в минуту. Сам тор может быть закрытым — то есть представлять собой закольцованную трубу, так и открытым, в виде закольцованного жёлоба. Во втором случае атмосфера удерживается внутри станции за счёт центробежной силы.

Надо сказать, что идея создания тороидальной вращающейся станции-поселения принадлежит вовсе не студентам-стэнфордцам. Эта концепция упоминается ещё в книге Германа Поточника (1928), в одной из работ Вернера фон Брауна (1952), а также в советском научно-популярном фильме «Дорога к звёздам» 1957-го года.

Идея построения космических станций в форме тора очень популярна в научной фантастике, компьютерных играх и кинематографе. Одна из самых известных версий изображена в культовом фильме «Космическая одиссея 2001 года».



А гораздо более крупный вариант стэнфордского тора (с некоторыми оговорками) показан в фильме Elysium (2013), там 40-километровое кольцо — открытого типа — является домом для 10 миллионов жителей.

Сфера Бернала

(c)

В 1929 Джон Бернал выдвинул идею космического поселения в виде полой вращающейся сферы, заполненной пригодной для человека атмосферой. При диаметре 16 км такая сфера может стать домом для 20 000-30 000 человек. Правда, достаточно комфортный уровень гравитации обеспечивается лишь в экваториальном поясе.



Станции, построенные в виде сферы Бернала, встречаются в разных фантастических произведениях и играх. Например, в игре “Mass Effect” (Станция «Гагарин»), или в романе «2312» Кима Стэнли Робинсона, где роль сфер Бернала выполняют выдолбленные изнутри астероиды.

Цилиндр О’Нилла

В 1974 году Джерард О’Нилл в своей статье «Колонизация космоса» для журнала Physics Today описал идею гигантской цилиндрической станции. Цилиндр длиной 32 км и диаметром 8 км состоит из шести продольных чередующихся секций: трёх прозрачных и трёх обитаемых. Снаружи цилиндра, напротив «окон», расположены гигантские зеркала для направления солнечного света внутрь цилиндра. Гравитация обеспечивается за счёт центробежной силы. Каждый из трёх обитаемых сегментов представляет собой отдельные «страны». Предусмотрены также отдельные внешние кольца большего диаметра для ведения сельского хозяйства, а также внешние промышленные секции, находящиеся по оси вращения за пределами цилиндров.

Каждая страна может вместить до миллиона жителей, а с увеличением диаметра и/или длины цилиндра — и того больше. По мнению О’Нилла, цилиндры могут достигать 24 км в диаметре и 120 км в длину. Полезная площадь проживания внутри таких гигантов составляла бы около 18 000 квадратных километров.

Несмотря на то, что цилиндрические станции получили имя О’Нилла, подобная идея была описана в романе Артура Кларка «Свидание с Рамой», вышедшем в 1973 году. Так что не исключено, что идея была подхвачена учениками О’Нилла и подвержена детальной проработке.



Из свежих примеров использования цилиндра О’Нилла можно привести фильм Interstellar (Станция «Купер»).

Звезда смерти

(c)

Самая известная мегаструктура в научной фантастике. Согласно литературе вселенной «Звёздных войн», таких космических станций было построено несколько штук, и они призваны были держать в узде субъекты Империи — что может быть страшнее, чем уничтожение целой планеты?

В разных частях космической эпопеи указывается разный диаметр Звёзд смерти: от 120 до 900 км в диаметре. Кстати, самая маленькая станция по диаметру близка к Эпиметею, спутнику Сатурна, и Паку, спутнику Урана. Экипаж Звезды смерти составляет около 8 млн человек.

Глобус Кассус

Проект этой мегаструктуры предложен швейцарским архитектором и художником Кристианом Вальдфогелем в 2004 году. Это сплюснутый с полюсов «геодезический икосаэдр» с двумя гигантскими прозрачными секциями для освещения. Гравитация обеспечивается традиционно — с помощью вращения. Диаметр структуры — 85 000 км (у Земли — около 12 600 км). Для обитания доступны два сегмента сфера, расположенные друг против друга в экваториальной зоне, с наиболее высоким уровнем гравитации. В более высоких «тропических» зонах могут располагаться сельскохозяйственные районы, а полярные области, с их микрогравитацией, можно использовать в качестве своеобразных складов и промышленных площадок.

Вообще-то, согласно замыслу Вальдфогеля, внутри сферы должно быть размещено… всё содержимое Земли. То есть планету нужно будет как бы вывернуть наизнанку и создать искусственную атмосферу, океаны и континенты. Довольно смелый замысел. Правда, автор не говорит о том, где и как нужно пережидать человечеству на время перевоза содержимого планеты.

Мир-кольцо

(c)

В 1970 году вышел роман «Мир-кольцо» Ларри Нивена. Это вам не жалкий тор на земной орбите — это обитаемое замкнутое кольцо вокруг звезды. Радиус — 1 астрономическая единица, ширина кольца — 1,6 млн км, протяжённость — 940 млн км. Просто невообразимое количество свободного места для развития высокоразвитой цивилизации. А такая цивилизация должна быть ОЧЕНЬ высокоразвитой, чтобы суметь построить кольцевой мир. Вы будете смеяться, но и здесь не обошлось без вращения для создания гравитации и удержания атмосферы. Поскольку в таком мире отсутствует естественный цикл дня и ночи, то здесь он создаётся искусственно с помощью прямоугольных отражателей, вращающихся по орбитам внутри кольца с другой угловой скоростью.



(c)

Идея кольцевых миров отражена в шутерах Halo, правда, там размеры куда скромнее — всего 10 000 км в диаметре, и вращаются они вокруг других планет. Также миры-кольца встречаются в цикле романов Иэна Бэнкса о Культуре — там его диаметр составляет 3 млн км. Немного меньше оригинала, но страдать от тесноты и воевать за территории точно не придётся.

Диск Алдерсона

(с)
Это дальнейшее развитие идеи мира-кольца: речь идёт уже о создании искусственного диска вокруг звезды, толщиной несколько тысяч километров. Автором идеи является Дэниел Алдерсон, участвовавший в написании программного обеспечения зондов «Вояджер-1» и «Вояджер-2». Применительно к Солнечной системе, внешний край диска должен проходить между Марсом и Юпитером.

По периметру внутренней границы диска, обращённой к звезде, проходит высокая стена, частично защищающая от губительного излучения. Обитаемая зона диска находится в… зоне обитаемости. Как и в случае с планетами, внутренняя и внешняя части диска непригодны для существования людей — у звезды слишком жарко, у внешнего края слишком холодно. Хотя технические достижения людей будущего, способных создать ТАКОЕ, вполне могут сделать обитаемыми и менее благоприятные области диска. При этом жить можно будет на обеих поверхностях диска. При этом он будет создавать достаточную силу гравитации, направленную перпендикулярно к его плоскости, чтобы люди смогли комфортно жить.

Согласно грубым расчётам, масса такого диска превзойдёт массу Солнца. Более того, требуемый объём материала многократно превышает доступное в Солнечной системе количество. Правда, из обычных камней такой диск построить не получится, для этого не хватит прочности. Так что строительство такого сооружения потребует создания совершенно новых материалов огромной прочности, и их производство даже не в планетарных, а в «системных» масштабах.

Диск Алдерсона редко упоминается в литературе. Например, в комиксах Ultraverse и повести Missile Gap Чарльза Стросса.

Сфера Дайсона

Ещё одна очень популярная среди любителей фантастики и футуризма мегаструктура. Изначально идею высказал Олаф Стэплдон в повести «Создатель звёзд». Но популяризовал её знаменитый физик Фримен Дайсон. Сфера Дайсона — это сфера (спасибо, Кэп), построенная вокруг звезды и собирающая всю излучаемую ею энергию. Согласно мнению самого Дайсона, сфера не должна полностью закрывать звезду.

Цивилизация, чьи технологические достижения и энергетические потребности привели к созданию сферы Дайсона, получит неисчерпаемый и колоссальный источник энергии. Для чего? Ну, например, для питания электричеством Мозга-матрёшки — не менее колоссального суперкомпьютера, мощности которого обслуживают искусственный сверхинтеллект.

Идея сферы Дайсона оказалась столь волнующей, что ей уделил внимание сам Стани̒слав Лем в своей эпохальной книге «Сумма технологий». Великий поляк в пух и прах раскритиковал эту идею.

Сегодня проще сказать, где сфера Дайсона не упоминается, её склоняют на всех фантастических и игровых углах. Очередной всплеск популярности был связан с обнаружением астрономами аномальной светимости звезды KIC 8462852 в созвездии Лебедя («звезда WTF»). По мировым СМИ тут же была растиражирована идея, что странное мерцание может быть связано со строительством инопланетянами сферы Дайсона вокруг KIC 8462852.

Двигатель Шкадова

(с)

Если вы думали, что сфера Дайсона — это апогей технологического развития цивилизации, то были правы. Но двигатель Шкадова, пожалуй, не уступает по полёту мысли. Зачем строить межзвёздные ковчеги и отправляться в неведомые дали на утлых судёнышках? Давайте перевезём свою звёздную систему! Двигатель Шкадова — это разновидность сферы Дайсона, представляющая собой гигантский солнечный парус. Идея была впервые высказана Леонидом Шкадовым в 1987 году на 38-ом Конгрессе Международной Астрономической Федерации в Великобритании.

Согласно замыслу учёного, звезда будет перемещаться вслед за парусом, построенным вокруг неё, а вместе с ней и все планеты. Правда, скорость будет очень небольшой, зато постоянной. Например, Солнце с двигателем Шкадова за миллион лет переместилось бы всего на 0,03 световых года. Но постепенно скорость будет возрастать, и через миллиард лет наше светило переместится уже на 34 000 световых лет — треть ширины Млечного Пути. В рамках такого проекта термин «долгосрочный» обретает совсем иное значение.

Источник: geektimes.ru/company/asus/blog/278888/