"Der Planet ist die Wiege des Geistes, aber man kann nicht für immer in der Wiege leben", schrieb Konstantin Tsiolkovsky zu Beginn des 20. Jahrhunderts. Heute sprechen Wissenschaftler zunehmend davon, dass Menschen früher oder später die Erde verlassen und sich auf die Suche nach einem neuen Zuhause machen müssen.
Schlaf nicht
In Science-Fiction-Büchern und -Filmen sind die Besatzungen interstellarer Schiffe normalerweise während des Fluges in schwebende Animationen versunken. Praktisch: Ein langer Weg für sie vergeht wie im Nu. Wenn Sie diese Situation jedoch an der Realität messen, treten sofort Inkonsistenzen auf. Was wird mit dem Raumschiff im Laufe der Flugjahre passieren? Wird es in der Lage sein, sich selbst zu reparieren und gegebenenfalls wiederherzustellen, werden die Sicherheitssysteme in der Lage sein, alle Risikofaktoren zu berücksichtigen und Hindernisse zu umgehen? Was ist, wenn die Technologien, die die Anabiose von Astronauten gewährleisten, versagen, wie im jüngsten Film "Passagiere", dessen Charaktere 90 Jahre früher als geplant aufwachten? Wie viele wertvolle wissenschaftliche Daten wird die Menschheit niemals erhalten, wenn wir Flugversuche zugunsten des Schlafes aufgeben?
Vielleicht ließen solche Fragen die Menschen darüber nachdenken, wie sie den grenzenlosen Raum überwinden können, ohne einzuschlafen. Sie können die "Rotationsmethode" anwenden: Beispielsweise wachen jedes Jahr mehrere Astronauten auf und übernehmen die Kontrolle über den Zustand des Raumfahrzeugs. Ein Jahr später werden sie durch folgende ersetzt. Aber was ist, wenn die Menschheit zum Zeitpunkt des Versands der Expedition noch keinen Weg gefunden hat, sicher in eine lange Schlaf-Animation einzutauchen? Schließlich befinden sich diese Experimente bisher nur in einem frühen Stadium.
Ein Standbild aus dem Film Pandorum.
Das Ergebnis solcher Diskussionen waren die Projekte von "Schiffen der Generationen". Es ist ein Schiff für interstellare Reisen mit einer Geschwindigkeit, die viel geringer ist als die Lichtgeschwindigkeit. Ein solches Schiff müsste Tausende von Jahren fliegen. Während dieser Zeit werden die ersten Kolonisten alt und sterben, ihre Nachkommen werden ihren Platz einnehmen. Dieses Szenario wird sich viele Male wiederholen, bevor die Expedition ihr Ziel erreicht.
Eines der bekanntesten Schiffsdesigns der Generation basierte auf dem Orion. Diese "Explosion" (Nuklearpulsschiff) wurde Mitte des 20. Jahrhunderts in den Vereinigten Staaten entwickelt. Er sollte sich aufgrund einer Reihe von Nuklearangriffen bewegen, die in kurzer Entfernung hinter dem Schiff aktiviert wurden. Ein Teil der Explosionsprodukte traf den "Schwanz" des Raumfahrzeugs, wo eine massive Reflektorplatte Energie absorbierte und sie mithilfe eines Systems von Stoßdämpfern auf das Raumfahrzeug übertrug. Der Umfang des Energy Limited Orion Starship-Projekts ist erstaunlich: Der Durchmesser des Schiffes betrug 20 Kilometer. Nach Berechnungen der Entwickler könnte dieses Schiff in 1330 Jahren das nächste Sternensystem Alpha Centauri erreichen. Die Abmessungen des Schiffes reichten aus, um ein echtes Schiff von Generationen aufzunehmen - tatsächlich eine kleine Weltraumstadt. Die NASA setzte jedoch auf billigere Projekte, und Orion blieb eine Theorie.
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Wenn die Dinge anders gelaufen wären, hätten wir heute die ersten Kolonisten ins All schicken können? Leider nein. Das Generationskonzept für Raumfahrzeuge löst viele der theoretischen Probleme der langen Raumfahrt - und schafft eine Reihe neuer Probleme. Wir werden herausfinden, mit welchen Schwierigkeiten die Schiffe von Generationen konfrontiert sein können und was Sie beachten müssen, wenn Sie zu fernen Sternen gehen.
Energy Limited Orion Raumschiff.
Wohin fliegen wir?
Befürworter der Weltraumbesiedlung werden in zwei Gruppen eingeteilt: Jemand erstellt Projekte zur Terraformierung des Mars, und jemand ist sich sicher, dass das Finden einer neuen Erde nur in anderen Sternen zu finden ist. Exoplanetenforscher bestätigen, dass es möglich ist, einen Weltraumkörper zu finden, der für das Leben außerhalb des Sonnensystems geeignet ist, obwohl dies nicht einfach ist.
Für eine erfolgreiche Umsiedlung ist es wichtig, dass der gefundene Planet in vielerlei Hinsicht der Erde ähnelt. Wir brauchen eine Temperatur, die für irdisches Leben und Wasser in flüssigem Zustand akzeptabel ist. Der Stern, um den sich der Planet dreht, sollte sich so "ruhig" wie möglich verhalten - häufige und intensive Fackeln verursachen scharfe Temperatursprünge. Der Fluss geladener Teilchen von einem Stern kann die Atmosphäre des Planeten beschädigen und im Laufe der Zeit fast die gesamte Gashülle "abblasen". Vielleicht geschah dies im Sonnensystem mit Merkur.
Der Raum um den Stern, in dem die Planeten flüssiges Wasser haben können, wird als bewohnbare Zone bezeichnet. Dies ist eine Art "mittlere" Zone des Planetensystems. Die Planeten darin sind nicht zu weit vom Stern entfernt, sie erhalten genug Energie, damit das Wasser nicht gefriert. Gleichzeitig sollten sie nicht zu nahe am Stern sein - das Wasser kann verdunsten. In der englischsprachigen Literatur wird diese Seite zu Ehren der Geschichte eines Mädchens, das mit drei Bären in ein Haus gefallen ist, "Goldlöckchen-Zone" genannt. Während die Tiere nicht zu Hause sind, beschließt sie, ein wenig zu schlafen und legt sich abwechselnd auf drei Betten: eines ist zu hart, das andere zu weich und das dritte ist genau richtig.
Es scheint, dass auch wir einfach alle Planeten in einem bestimmten System „sortieren“und den geeigneten auswählen können. Leider sind nicht alle Planeten in der bewohnbaren Zone für uns geeignet: Flüssiges Wasser ist auf ihnen möglich, aber alle anderen Bedingungen auf der Oberfläche eines solchen Planeten können für Erdbewohner unerträglich sein.
Im Sommer 2016 kündigten Astrophysiker des European Southern Observatory die Entdeckung des der Erde am nächsten gelegenen Exoplaneten an. Es umkreist Proxima Centauri, den dem Sonnensystem am nächsten gelegenen Stern, und heißt jetzt Proxima Centauri b. Laut Wissenschaftlern befindet es sich in der bewohnbaren Zone seines Sterns und kann durchaus flüssiges Wasser haben. Keines der bekannten Klimamodelle widerspricht dem. Aber es ist zu früh, um Proxima Centauri als unser neues Zuhause zu bezeichnen. Es ist seinem Stern viel näher als die Erde der Sonne, und die durch diese Nähe verursachten Auswirkungen können unvorhersehbar sein.
Potenziell bewohnbare Exoplaneten. TRAPPIST-1-Planeten sind noch nicht aufgelistet.
Eine neue Entdeckung von Anfang 2017 - sieben Exoplaneten in der Nähe des kühlen roten Zwergs TRAPPIST-1 im Sternbild Wassermann. Alle Planeten sind ähnlich groß wie die Erde. Hypothetisch mögen alle sieben Planeten flüssiges Wasser haben, aber es ist am wahrscheinlichsten auf den Planeten TRAPPIST-1e, f und g zu finden. Astrophysiker spekulieren, dass neue Teleskope - wie das Europäische Extrem große Teleskop, das 2014 in Chile gebaut wurde - mit Sicherheit zeigen können, ob diese Planeten Wasser haben.
Die Hauptsache ist, dass selbst der der Erde am nächsten gelegene Exoplanet noch weit von uns entfernt ist. Es ist 4,24 Lichtjahre entfernt - um diesen Weg zurückzulegen, wird das vorhandene Raumschiff, auch ohne Berücksichtigung der Zeit für Beschleunigung und Verzögerung, Zehntausende von Jahren dauern. Zum Vergleich: Die Planeten um TRAPPIST-1 sind etwa 40 Lichtjahre entfernt. Die Technologie schreitet voran, aber die Entfernungen im Weltraum scheinen immer noch endlos zu sein. Dies lässt uns immer wieder über Projekte wie das Schiff der Generationen nachdenken.
So könnte die Oberfläche des Planeten TRAPPIST-1f aussehen (NASA-Abbildung).
Motoren der Zukunft
Aber vielleicht gibt es noch eine Möglichkeit, diese Entfernungen schneller zurückzulegen? Die Fähigkeiten bestehender Raumfahrzeuge reichen eindeutig nicht aus, aber neue Entwicklungen sind im Gange. Eines der beeindruckendsten Projekte ist das Sonnensegel (photonisch). Es nutzt den Lichtdruck auf einer verspiegelten Oberfläche. Im Sonnensystem kann ein Segel durch Sonnenlicht angetrieben werden, und diese Technologie existiert bereits. Im Jahr 2010 ging das japanische Raumschiff IKAROS (Interplanetary Kite-Craft Accelerated by Radiation Of the Sun) ins All. Es ist mit einem quadratischen Segel mit einer Seite von 14 Metern ausgestattet, das aus vier Blütenblättern besteht. Daran sind Sonnenkollektoren angebracht. Die Aufgabe von IKAROS war es, das Sonnensegel erfolgreich zu öffnen und sich mit seiner Hilfe zu bewegen, und das japanische Gerät hat dies in vollem Umfang bewältigt. Der Sonnenlichtdruck ist jedoch relativ gering,Um über unser System hinauszugehen, müssen wir daher andere Quellen verwenden. Es gibt Projekte zum Übertakten eines solchen Geräts mit einem Laser. Das Sonnensegel hat unbestreitbare Vorteile: Es benötigt keinen Kraftstoff und kann für sich genommen relativ leicht sein. Die Menschheit verfügt jedoch nicht über genügend Ressourcen, um ein interstellares Segelschiff zu starten. Es werden sehr leistungsfähige hochpräzise Lasersysteme oder eine grundlegend neue Lösung für dieses Problem benötigt. Es werden sehr leistungsfähige hochpräzise Lasersysteme oder eine grundlegend neue Lösung für dieses Problem benötigt. Es werden sehr leistungsfähige hochpräzise Lasersysteme oder eine grundlegend neue Lösung für dieses Problem benötigt.
Ein weiterer vielversprechender Motor, der bereits existiert, ist der ionische. Sein Arbeitsmedium ist ionisiertes Inertgas (Argon, Xenon) oder Quecksilber. Die ionisierte Substanz wird in einem elektrostatischen Feld auf sehr hohe Geschwindigkeiten beschleunigt. Das System zur Extraktion positiver Ionen "zieht" sie aus der Substanz heraus und wirft sie in den Weltraum, wodurch Bewegung entsteht. Ionenmotoren wurden in den Raumfahrzeugen Hayabusa (die 2010 Bodenproben vom Asteroiden Itokawa zur Erde lieferten) und Dawn (2007 gestartet, um Vesta und Ceres zu erkunden) eingesetzt.
Ein solcher Motor erreicht einen hohen spezifischen Impuls und einen niedrigen Kraftstoffverbrauch. Der Nachteil moderner Ionenmotoren ist der extrem niedrige Schub, so dass ein solches Schiff nicht von der Erde starten kann, sondern außerhalb des Planeten gebaut werden muss.
Morgendämmerungsapparat (Computergrafik).
Ein weiteres interessantes Konzept ist das interstellare Bassard-Triebwerk Bassard. Ein mit einem solchen Motor ausgestattetes Schiff erfasst das Material des interstellaren Mediums (einschließlich Wasserstoff) mithilfe eines "Trichters" eines starken elektromagnetischen Feldes. Der Durchmesser des Trichters sollte Tausende oder sogar Zehntausende von Kilometern betragen. Der gesammelte Wasserstoff wird im thermonuklearen Raketentriebwerk des Schiffes verwendet. Dies stellt die Kraftstoffautonomie des Schiffes sicher.
Leider hat dieser Motor auch viele technische Einschränkungen. Seine Geschwindigkeit ist nicht so hoch, weil das Schiff beim Einfangen jedes Wasserstoffatoms einen bestimmten Impuls verliert, und dies kann durch Schub nur bei relativ geringer Geschwindigkeit ausgeglichen werden. Um diese Einschränkung zu überwinden, müssen Wege gefunden werden, um die eingefangenen Atome so gut wie möglich zu nutzen.
So könnte ein Schiff mit einem Bassard-Motor aussehen (Abbildung von Joe Bergeron).
Gesellschaft an Bord
Wie viele Menschen können an einer interstellaren Expedition teilnehmen? Die Einschätzungen der Experten unterscheiden sich erheblich. Dies trotz der Tatsache, dass die meisten von ihnen hinsichtlich der Flugdauer in Hunderten und nicht in Tausenden von Jahren optimistisch sind. Im Jahr 2002 schlug der Anthropologe John Moore von der University of Florida vor, dass eine Bevölkerung von etwa 160 in einem kleinen Dorf ausreichen würde, um eine stabile Bevölkerung für einen 200-jährigen Flug zu schaffen. Gleichzeitig wird grausames "Social Engineering" wie bei Dystopien nicht erforderlich sein, die uns vertraute Familie wird zur Grundlage der Weltraumkolonie. Jeder wird ungefähr ein Dutzend geeignete Ehepartner haben. Selbst heute - mit einer scheinbar endlosen Auswahl - überschreiten die meisten Menschen diese Anzahl von Partnern in Bezug auf langfristige Beziehungen nicht.
In solch kleinen Populationen besteht jedoch die Gefahr einer verringerten genetischen Vielfalt. Sie kann sowohl allmählich als auch unerwartet abnehmen - zum Beispiel wird die Expedition im Falle einer gefährlichen Infektion auf einen "Engpass-Effekt" stoßen, bei dem die Bevölkerung stark abnimmt und sich dann allmählich erholt. Der Genpool wird ärmer und dies spiegelt sich in den Nachkommen derjenigen wider, die die Katastrophe überlebt haben. Im Tierreich beeinflusste dieser Effekt die genetische Vielfalt der Geparden - es wird angenommen, dass zu einer Zeit nur wenige Individuen überleben konnten. Die Art war vom Aussterben bedroht, heute leben weltweit nur noch etwa 7.000 Geparden in freier Wildbahn. Aufgrund der langen, eng verwandten Kreuzung unterscheiden sie sich nicht in der Resistenz gegen Krankheiten, und in freier Wildbahn leben die meisten Jungen nicht bis zu einem Jahr.
Eine weitere Bedrohung für Kolonisten ist der Gründereffekt. Es tritt auf, wenn eine kleine Anzahl von Vertretern einer bestimmten Art ein neues Gebiet bewohnt. Sie bewahren nicht den gesamten Genpool der ursprünglichen Population, daher können sie auch mit dem Problem einer allmählichen Verringerung der genetischen Vielfalt konfrontiert sein.
Der Anthropologe Cameron Smith von der Portland State University berechnete 2013, dass Zehntausende Menschen benötigt werden, um diese Bedrohungen über 150 Jahre hinweg zu bewältigen. Ihm zufolge braucht eine stabile Bevölkerung etwa 40.000 Menschen, von denen mindestens 23.500 im gebärfähigen Alter sind. Die Kolonie kann jedoch kleiner sein, wenn sie über eine ausreichend große Embryonenbank verfügt.
Ein Standbild aus dem Film Pandorum.
Platz im Keller, Platz in der Wüste
Natürlich werden all diese wichtigen Fragen noch lange nur theoretisch bleiben. Die heutigen Technologien sind nicht in der Lage, eine Person zu benachbarten Sternen zu schicken, und dies wird für lange Zeit außerhalb unserer Macht liegen. In Zukunft wird jedoch seit mehreren Jahrzehnten geforscht, um die Weltraumzukunft, einschließlich der Schiffe von Generationen, näher zu bringen.
Eine der bekanntesten Arten solcher Experimente ist die Schaffung geschlossener Ökosysteme. Die Passagiere des Generationenschiffs werden Tausende von Jahren darin leben, daher muss die Kolonie völlig autark sein: Es gibt keinen Ort, an dem auf Hilfe gewartet werden kann. Diese Erfahrung wird bei der Entwicklung eines neuen Planeten nützlich sein. Projekte zur Schaffung geschlossener Systeme begannen in den 1970er Jahren, kurz nach der Landung des Menschen auf dem Mond.
In der UdSSR wurde 1968-1972 "BIOS-3" gebaut. Wissenschaftler des Krasnojarsker Akademgorodok haben im Keller des Instituts für Biophysik einen versiegelten Raum mit einer Größe von 14 × 9 × 2,5 m und einer Größe von etwa 315 m³ geschaffen, der aus vier Abteilungen besteht. "Mannschaftskabinen" und Ausrüstung besetzten nur eine von ihnen, im Rest gab es Kamera-Phytotrons für den Anbau von Pflanzen und Kultivatoren von Mikroalgen. Es wurden spezielle Sorten verwendet: zum Beispiel speziell gezüchteter Zwergweizen mit verkürztem Stiel. 10 Experimente wurden in BIOS-3 durchgeführt, das längste dauerte 180 Tage. Den Teilnehmern gelang es, ein vollständig geschlossenes System für den Gas- und Wasserverbrauch zu schaffen. Sie versorgten sich zu 80% mit Lebensmitteln.
In den frühen neunziger Jahren fand das vielleicht berühmteste Experiment zur Schaffung eines geschlossenen Systems, "Biosphere-2", statt. In Arizona wurde ein Komplex aus mehreren Gebäuden und Gewächshäusern auf einer Fläche von etwa 1,5 Hektar errichtet. Im Inneren wurden mehrere Naturgebiete modelliert: tropisches Dickicht, Savanne, Mangrovenwälder und sogar das Meer. In "Biosphere-2" lebten etwa 3000 Pflanzen- und Tierarten. Das Projektteam bestand aus acht Personen - gleichermaßen Männer und Frauen. Sie unterstützten die Arbeit der Wasser- und Luftzirkulationstechnologie, beschäftigten sich mit Subsistenzlandwirtschaft und führten verschiedene Experimente durch.
Komplexe Biosphäre-2.
Die erste Phase des Experiments dauerte zwei Jahre. Ein Jahr lang konnten die "Kolonisten" die Nahrungsmittelproduktion aufbauen: In den ersten Monaten waren die Menschen ständig hungrig. Später passten sie sich an die neue Ernährung an und viele der Gesundheitsindikatoren der Teilnehmer verbesserten sich infolge des Experiments, beispielsweise senkten sie den Blutdruck. Das größte Problem war der Abfall des Sauerstoffgehalts. Die Projektteilnehmerin Jane Poynter erinnert sich: „Wenn Sie viel Sauerstoff verlieren - und unser Niveau deutlich gesunken ist, ist er von 21% auf 14,2% gesunken - fühlen Sie sich schrecklich. Sie wachen auf und schnappen nach Luft, weil sich die Zusammensetzung Ihres Blutes ändert. In einem Traum hört man auf zu atmen, dann atmet man ein und wacht auf. Das ist furchtbar nervig. Und draußen waren alle davon überzeugt, dass wir sterben würden."
Es wird angenommen, dass der Sauerstoffgehalt zu sinken begann, da sich die Mikroorganismen von "Biosphere-2" aktiver als erwartet vermehrten. Das gleiche passierte mit Insekten. Es war verboten, sie mit Hilfe von Pestiziden zu zerstören. Dies könnte das Gleichgewicht der künstlichen Biosphäre stören. Infolgedessen mussten die Organisatoren des Projekts die Daten fälschen: Der fehlende Sauerstoff wurde in das System gepumpt. Als dies bekannt wurde, stießen die Teilnehmer des Experiments auf Kritik. Aber der Sauerstoffgehalt sank auch bei Gasversorgung von außen weiter und genau zwei Jahre nach dem Start wurde die erste Phase des Projekts beendet. Insgesamt erwies sich das Experiment als erfolglos. Verringern Sie jedoch nicht die Bedeutung solcher Experimente. Erstens zeigen sie viele Fallstricke bei Berechnungen und helfen, realistischere Modelle zu erstellen. Zweitens ähneln diese Projekte:Die Besiedlung des Weltraums erfordert mehr als leistungsstarke Motoren. Um eines Tages zu anderen Planeten zu gelangen, benötigt die Menschheit eine Vielzahl von Kenntnissen und Fähigkeiten.
Teilnehmer am BIOS-3-Experiment mit der geernteten Weizenernte.
Ein Aufstand auf einem Schiff?
Viele Schwierigkeiten erwarten die Teilnehmer von tausendjährigen Expeditionen. Einige der Probleme hängen mit der Umwelt zusammen: zum Beispiel die zerstörerischen Auswirkungen der Weltraumstrahlung. Es kann zur Entstehung von Krebs, zur Schädigung des Knochenmarks und zu Störungen des Immunsystems beitragen. Wenn Sie in den Weltraum gehen, müssen Sie sich daher angemessen schützen. Strahlungsvorhersagesysteme, die viele Parameter berücksichtigen, werden benötigt. Die Hauptaufgabe besteht darin, den Grad der Gesundheitsschädigung zu bestimmen und ständig ein Gleichgewicht zu halten. Kolonisten müssen unweigerlich Risiken eingehen, und Schiffskonstrukteure müssen einen Weg finden, Schutzelemente am Schiff anzubringen, ohne die Nutzlast zu beeinträchtigen.
Nicht weniger gefährlich sind seltsamerweise moralische und ethische Schwierigkeiten. Menschen, die sich aufrichtig ihrer Arbeit widmen und an die Notwendigkeit glauben, andere Planeten zu erobern, werden in den Weltraum gehen. Aber werden ihre Nachkommen diesen Glauben bewahren können und wollen sie es? Was ist, wenn sich die Vertreter der "mittleren" Generationen eines Tages in einem High-Tech-Weltraumgefängnis gefangen fühlen? Die Ethik muss eine Antwort auf diese Fragen finden, sonst können Probleme nicht vermieden werden.
Ein Standbild aus dem Film Pandorum.
Die Folgen sind unvorhersehbar: von Pessimismus und Crew-Apathie bis hin zu offenen Konflikten. Auf engstem Raum des Schiffes werden Missverständnisse von Vätern und Kindern oder ideologische Streitigkeiten katastrophal. Dies wird durch die Geschichte derselben "Biosphäre-2" bestätigt. Als klar wurde, dass der Sauerstoffgehalt unaufhaltsam sank, teilten sich die Experimentatoren in zwei Gruppen auf. Einige wollten die "Biosphäre" sofort verlassen, andere - auf jeden Fall das Projekt zum Ende bringen. Es wird gesagt, dass der Konflikt so stark zugenommen hat, dass viele der ehemaligen Teilnehmer des Experiments immer noch nicht miteinander sprechen. Aber sie verbrachten nur zwei Jahre in einem geschlossenen System!
Also, während die Menschheit gerade den Weg zu den Sternen beginnt. Viel mehr Forschung wird erforderlich sein, um tragfähige Entwürfe für eine sich selbst tragende Weltraumkolonie und ein zuverlässiges interstellares Fahrzeug zu erstellen.
Natalia Pelezneva
