Знание-сила

Знание-сила научно-популярный журнал

iiene     
Он-лайн ТВ Знание - Сила РФ Проекты Фотогалереи Лекторий ЗС

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 





СВЕЖИЙ НОМЕР


Органические молекулы в космосе
 
 
Земля: «колыбель человечества» или одинокий обитаемый остров?

Александр Багров, Владислав Леонов, Александр Павлов

На обелиске над могилой наше­го великого соотечественника К. Э. Циолковского приведены его ставшие хрестоматийными слова: «Человечество не останется вечно на Земле, но, в погоне за светом и пространством, сначала робко проникнет за пределы атмосферы, а потом завоюет все околосолнечное пространство». Всю свою жизнь Циолковский мечтал о космическом будущем человечества и пытливым взглядом ученого всматривался в его фантастические горизонты. Он был не одинок. Начало ХХ века для многих было открытием Вселенной, хотя и видимым сквозь призму научных заблуждений того времени и фантазии литераторов. Итальянец Скиапарелли открыл «каналы» на Марсе — и человечество уверилось, что на Марсе существует цивилизация. Берроуз и А. Толстой населили этот воображаемый Марс похожими на людей жителями, и вслед за ними сотни фантастов последовали их примеру. Земляне просто привыкли к мысли, что жизнь на Марсе есть, и что эта жизнь — разумная. Поэтому призыв Циолковского лететь в космос был встречен пусть не сразу с энтузиазмом, но, во всяком случае, с одобрением. Прошло всего 50 лет после первых выступлений Циолковского, и в стране, которой он посвятил и передал все свои труды, был запущен Первый спутник и в космос полетел Первый космонавт.

Казалось бы, дальше все пойдет по замыслам великого мечтателя. Идеи Циолковского оказались настолько яркими, что самый знаменитый из его последователей — Сергей Павлович Королёв — все свои планы развития космонавтики выстраивал так, чтобы еще в ХХ веке нога человека ступила на Марс. Жизнь внесла свои поправки. Сейчас мы не очень-то уверены, что пилотируемая экспедиция к Марсу состоится хотя бы до конца XXI века.

Наверное, дело не только в технических трудностях и роковых обстоятельствах. Любые трудности можно одолеть мудростью и пытливостью человеческого ума, если перед ним поставлена достойная задача. А такой задачи нет! Есть доставшееся в наследство желание — долететь до Марса, но нет ясного понимания — зачем? Если заглянуть глубже, этот вопрос стоит перед всей нашей пилотируемой космонавтикой.

Циолковский видел в космосе неосвоенные просторы для человечества, которому становится тесной родная планета. Эти просторы нужно, разумеется, осваивать, но прежде нужно глубоко изучить их свойства. Полувековой опыт изучения космоса показывает, что очень, очень многое можно исследовать автоматическими аппаратами, не рискуя самой высокой ценностью мироздания — человеческими жизнями. Полвека назад эта идея еще была темой споров и обсуждений, но сейчас, когда мощь компьютеров и возможности роботов приближаются к человеческим пределам, этим сомнениям уже не место. За последние сорок лет автоматические аппараты успешно исследуют Луну, Венеру, Марс, Юпитер, Сатурн, спутники планет, астероиды и кометы, а американские «Вояджеры» и «Пионеры» уже достигли границ Солнечной системы. Хотя в планах космических агентств и проходят порой сообщения о подготовке пилотируемых миссий в дальний космос, пока не прозвучало в них ни одной научной задачи, для решения которой работа космонавтов совершенно необходима. Так что изучение Солнечной системы можно продолжать автоматами еще долго.

Давайте вернемся, все-таки, к проб­леме освоения космоса. Когда наше знание о свойствах космических просторов позволит нам начать обживать их и когда мы сможем для самих себя ответить на вопрос — зачем?

Оставим пока вопрос о том, что в космосе много энергии, в которой нуждается человечество, и много минеральных ресурсов, которые в космосе, возможно, будет добывать дешевле, чем на Земле. И то, и другое есть пока на нашей планете, и не они являются главной ценностью космоса. Главное в космосе — это то, что нам крайне трудно обеспечить на Земле — устойчивость условий обитания, и, в конечном счете, устойчивость развития человеческой цивилизации.

Жизнь на Земле постоянно подвергается рискам стихийных бедствий. Засухи, наводнения, ураганы, землетрясения, цунами и иные неприятности не только наносят прямой ущерб нашей экономике и благополучию населения, но требуют сил и затрат на восстановление потерянного. В космосе мы надеемся на избавление от этих привычных угроз. Если мы найдем такие иные земли, где природные стихийные бедствия оставят нас, то это и будет та «земля обетованная», которая станет достойным новым домом для человечества. Логика развития земной цивилизации с неизбежностью приводит к мысли, что в будущем, и возможно не столь далеком, человек будет вынужден искать вне планеты Земля среду обитания, которая могла бы вместить большую часть населения и обеспечить продолжение его жизни в стабильных и комфортных условиях.

Именно это имел в виду К. Э. Ци­ол­ковский, когда говорил, что человечество не останется вечно в колыбели. Его пытливая мысль нарисовала нам привлекательные картины жизни в «эфирных поселениях», то есть в больших космических станциях с искусственным климатом. Первые шаги в этом направлении уже сделаны: на постоянно обитаемых космических станциях мы научились поддерживать почти привычные условия жизни. Правда, неприятным фактором этих космических станций остается невесомость, — непривычное и губительное для земных организмов состояние. Циолковский догадывался, что невесомость может быть нежелательной, и предложил создавать в эфирных поселениях искусственную тяжесть осевым вращением станций. Во множестве проектов «космических городов» эта идея была подхвачена. Если вы посмотрите на иллюстрации к теме «космические поселения» в интернете, то увидите разнообразные торы и колеса со спицами, застекленные со всех сторон, как земные оранжереи.

Можно понять Циолковского, во времена которого была попросту неизвестна космическая радиация, предлагавшего создавать открытые солнечному свету космические оранжереи. На Земле мы защищены от радиации мощным магнитным полем родной планеты и достаточно плотной атмосферой. Магнитное поле практически непробиваемо для заряженных частиц, выбрасываемых Солнцем, — оно отбрасывает их в сторону от Земли, позволяя лишь небольшому количеству достигать атмосферы вблизи магнитных полюсов и вызывать красочные полярные сияния. Сегодняшние обитаемые космические станции расположены на орбитах, находящихся внутри радиационных поясов (по сути — магнитных ловушек), и это позволяет космонавтам годами находиться на станции, не получая опасных доз излучения. Там, где от радиации уже не защищает магнитное поле Земли, радиационная защита должна быть намного серьезнее. Главным препятствием для радиации является любое вещество, в котором она поглощается. Если считать, что поглощение космической радиации в земной атмосфере снижает ее уровень до безопасных значений, то в открытом космосе нужно ограждать обитаемые помещения слоем вещества такой же массы, то есть каждый квадратный сантиметр площади помещений должен быть укрыт килограммом вещества. Если принять плотность укрывающего вещества равной 2,5 грамма на кубический сантиметр (каменные породы), то геометрическая толщина защиты должна быть не меньше 4 метров. Стекло — тоже силикатное вещество, поэтому для защиты оранжерей в открытом космосе потребуются стекла 4-метровой толщины!

К сожалению, не только космическая радиация заставляет отказаться от заманчивых проектов. Внутри помещений нужно будет создавать искусственную атмосферу с привычной плотностью воздуха, то есть с давлением в 1 килограмм на квадратный сантиметр. Когда помещения имеют небольшой размер, прочность строительных конструкций космических аппаратов позволяет выдержать такое давление. Но огромные поселения с диаметром обитаемых помещений в десятки метров, способные выдерживать такое давление, технически построить будет сложно, а то и невозможно. Создание искусственной тяжести вращением тоже заметно увеличит нагрузку на конструкцию станции. К тому же движение всякого тела внутри вращающегося «бублика» будет сопровождаться действием кориолисовой силы, создавая большие неудобства (вспомните детские ощущения на дворовой карусели)! Ну и, наконец, большие помещения окажутся очень уязвимыми для метеоритных ударов: достаточно разбить одно стекло в большой оранжерее, чтобы из нее вышел весь воздух, и находящиеся в ней организмы погибли бы. Словом, «эфирные поселения» при внимательном рассмотрении оказываются невыполнимыми мечтаниями.

Может быть, не зря надежды человечества связывались с Марсом? Это достаточно крупная планета с вполне подходящей силой тяжести, у Марса есть атмосфера и даже сезонные изменения погоды. Увы! Это — только внешнее сходство. Средняя температура на поверхности Марса держится на уровне –50°С, зимой там так холодно, что замерзает даже углекислый газ, а летом тепла порой недостаточно, чтобы мог растаять водяной лед. Плотность марсианской атмосферы — такая же, как земной на высоте 30 километров, где даже самолеты не могут летать. Понятно, конечно же, что Марс никоим образом не защищен от космической радиации. В довершение всего, на Марсе очень слабые почвы: это или песок, который даже ветры разреженного марсианского воздуха вздымают в обширные бури, или тот же песок, смерзшийся со льдом в крепкую на вид породу. Только на такой породе ничего нельзя построить, да и подземные помещения не будут выходом без надежного их укрепления. Если в помещениях будет тепло (а люди не собираются жить в ледяных дворцах!), то мерзлота растает, и тоннели обрушатся.

Множество «проектов» марсианской застройки предполагает размещение на поверхности Марса готовых жилых модулей. Это очень наивные идеи. Для защиты от космической радиации каждое помещение нужно укрыть четырехметровым слоем защитных перекрытий. Проще говоря, укрыть все постройки толстым слоем марсианского грунта, и тогда в них можно будет жить. Но ради чего стоит обживать Марс? Ведь на Марсе нет той желанной стабильности условий, которой нам уже не хватает на Земле!

Марс все еще волнует людей, хотя уже никто не надеется найти на нем прекрасных Аэлит или хотя бы собратьев по разуму. На Марсе мы в первую очередь ищем следы внеземной жизни, чтобы понять, как и в каких формах возникает жизнь во Вселенной. Но это — исследовательская задача, и для ее решения вовсе не обязательно жить на Марсе. А для строительства космических поселений Марс — совсем не подходящее место.

Может быть, стоит обратить внимание на многочисленные астероиды? Судя по всему, условия на них очень стабильные. После Великой метеоритной бомбардировки, которая три с половиной миллиарда лет назад превратила поверхности астероидов в поля больших и малых воронок от метеоритных ударов, с астероидами ничего не происходит. В недрах астероидов можно построить обитаемые тоннели, и каждый астероид превратить в космический город. Достаточно крупных для этого астероидов в нашей Солнечной системе немного — около тысячи. Так что они не решат проблему создания обширных обитаемых территорий вне Земли. При этом все они будут иметь болезненный недостаток: в астероидах очень малая сила тяжести. Безусловно, астероиды станут для человечества источниками минерального сырья, но для строительства полноценного жилья они совершенно непригодны.

Так неужели бесконечные космические просторы для людей все равно, что безбрежный океан без клочка суши? Неужели все наши мечтания о чудесах космоса — только сладкие грезы?

Но нет, есть в космосе место, где сказки реально сделать былью, и, можно сказать, оно совсем по соседству. Это — Луна.

Из всех тел Солнечной системы Луна имеет наибольшее число достоинств с точки зрения человечества, ищущего стабильности в космосе. Луна достаточно велика, чтобы иметь заметную силу тяжести на ее поверхности. Основные породы Луны — прочные базальты, простирающиеся на глубину в сотни километров под поверхностью. На Луне нет вулканизма, землетрясений и климатических нестабильностей, так как у Луны нет ни расплавленной мантии в недрах, ни воздушных, ни водных океанов. Луна — ближайшее к Земле космическое тело, благодаря чему колониям на Луне будет легче оказать экстренную помощь и снизить транспортные издержки. Луна все время повернута к Земле одной стороной, и это обстоятельство может оказаться очень полезным во многих отношениях.

Итак, первое достоинство Луны — ее стабильность. Известно, что на освещенной солнцем поверхности температура поднимается до +120°С, а ночью опускается до –160°С, но при этом уже на глубине 2 метра перепады температуры становятся незаметными. В недрах Луны температура очень стабильная. Поскольку базальты имеют низкую теплопроводность (на Земле базальтовую вату используют как очень эффективную теплоизоляцию), в подземных помещениях можно поддерживать любую комфортную температуру. Базальт — газонепроницаемый материал, и внутри базальтовых сооружений можно создать искусственную атмосферу любого состава и поддерживать ее без особых усилий. Базальт — очень прочная порода. На Земле есть базальтовые скалы высотой 2 километра, а на Луне, где сила тяжести в 6 раз меньше, чем на Земле, базальтовые стены выдержали бы свой вес даже при высоте 12 километров! Следовательно, в базальтовых недрах можно строить залы с высотой потолков в сотни метров и не применять при этом дополнительных креплений. Поэтому в лунных недрах можно построить тысячи этажей помещений самого разного назначения, не используя иных материалов, кроме самого лунного базальта. Если вспомнить, что площадь лунной поверхности только в 13,5 раза меньше площади поверхности Земли, то легко подсчитать, что площадь подземных построек на Луне может быть в десятки раз больше всей территории, которую занимают на нашей родной планете все формы жизни от глубин океанов до вершин гор! И всем этим помещениям не будут угрожать никакие стихийные бедствия миллиарды лет! Перспективно!

Нужно, конечно, сразу задуматься: а куда девать добытый из туннелей грунт? Вырастить на поверхности Луны терриконы километровой высоты? Оказывается, и тут можно предложить интересное решение. На Луне нет атмосферы, а лунный день длится полмесяца, поэтому две недели в любом месте Луны непрерывно светит жаркое солнце. Если большим вогнутым зеркалом сфокусировать его лучи, то в получившемся пятне света температура будет почти такой же, как на поверхности Солнца — около 5000 градусов. При такой температуре плавятся почти все известные материалы, в том числе и базальты (они плавятся при 1100°С). Если в это горячее пятно медленно насыпать базальтовую крошку, то она будет плавиться, и из нее можно наплавлять слой за слоем стены, лестничные пролеты и перекрытия. Можно создать строительный робот, который будет это делать по заложенной в него программе совсем без участия человека. Если такой робот запустить на Луну сегодня, то к тому дню, когда на неё прибудет пилотируемая экспедиция, космонавтов уже будут ждать если не дворцы, то уж, во всяком случае, комфортабельное жилье и лаборатории.

Простое строительство помещений на Луне не должно быть самоцелью. Эти помещения будут нужны для жизни людей в комфортных условиях, для размещения сельскохозяйственных и промышленных предприятий, для создания зон отдыха, транспортных магистралей, школ и музеев. Только сначала нужно получить все гарантии, что переселившиеся на Луну люди и другие живые организмы не начнут деградировать из-за не совсем привычных условий. В первую очередь нужно исследовать, как длительное воздействие пониженной тяжести будет сказываться на организмах разнообразной земной природы. Эти исследования будут масштабными; едва ли опыты в пробирках смогут гарантировать биологическую устойчивость организмов на протяжении многих поколений. Нужно строить большие оранжереи и вольеры, и в них вести наблюдения и опыты. С этим не справятся никакие роботы, — только сами ученые-исследователи смогут заметить и проанализировать наследственные изменения в живых тканях и живых организмах.

Подготовка к созданию полноценных самообеспечиваемых колоний на Луне — вот та целевая задача, которая должна стать маяком для движения человечества к магистрали его устойчивого развития.

Сегодня многое в техническом построении обитаемых поселений в космосе не имеет ясного понимания. Энергетическое обеспечение в условиях космоса достаточно просто может быть реализовано солнечными станциями. Один квадратный километр солнечных батарей даже при коэффициенте полезного действия всего 10% будет обеспечивать мощность 150 мегаватт, правда только в течение лунного дня, то есть средняя генерация энергии будет вдвое меньшей. Кажется, что это немного. Однако, согласно прогнозам на 2020 год мирового потребления электроэнергии (3,5 тераватта) и численности населения Земли (7 миллиардов человек), среднему землянину достается 0,5 киловатта электрической мощности. Если же исходить из привычного для городского жителя среднесуточного энергообеспечения, скажем 1,5 киловатта на человека, то такая солнечная электростанция на Луне сможет удовлетворить потребности 50 тысяч человек — вполне достаточно для небольшой лунной колонии.

На Земле мы значительную часть электроэнергии расходуем на освещение. На Луне многие традиционные схемы будут радикально изменены, в частности, схемы освещения. Подземные помещения на Луне должны освещаться на хорошем уровне, особенно оранжерейное хозяйство. Нет никакого смысла на поверхности Луны производить электроэнергию, передавать ее в подземные постройки, а там снова преобразовывать электроэнергию в свет. Намного эффективнее на поверхности Луны установить концентраторы солнечного света и освещать от них световолоконные кабели. Уровень сегодняшней технологии изготовления световодов позволяет передавать свет почти без потерь на тысячи километров, поэтому не должно составить больших трудностей из освещенных областей Луны передать свет по системе световодов в любое подземное помещение, переключая концентраторы и световоды вслед за движением солнца по лунному небосводу.

На первых этапах строительства лунной колонии Земля может быть донором необходимых для обустройства поселений ресурсов. Но многие ресурсы в космосе будет добывать легче, чем доставлять с Земли. Лунные базальты наполовину состоят из окислов металлов — железа, титана, магния, алюминия и так далее. В процессе извлечения металлов из добываемых в шахтах и штольнях базальтов будут получаться кислород для разнообразных нужд и кремний для световодов. В открытом космосе можно перехватывать кометы, содержащие до 80% водяного льда, и обеспечить снабжение поселений водой из этих обильных источников (ежегодно мимо Земли не далее 1,5 миллиона километров от нее пролетает до 40 000 миникомет размером от 3 до 30 метров).

Мы уверены, что на ближайшие три-пять десятилетий исследования в области создания поселений на Луне станут доминантой перспективных разработок человечества. Если станет ясно, что на Луне могут быть созданы комфортные условия для жизни людей, то колонизация Луны несколько веков будет путем земной цивилизации к обеспечению ее устойчивого развития. Во всяком случае, никаких других более подходящих для этого тел в Солнечной системе нет.

Может быть, ничего этого не случится по совершенно иной причине. Освоение космоса — это не просто его исследование. Для его освоения требуется создание эффективных транспортных магистралей между Землей и Луной. Если такая магистраль не появится, то у космонавтики не окажется будущего, а человечество будет обречено оставаться в границах родной планеты. Ракетная техника, которая позволяет выводить в космос научное оборудование, является дорогостоящей технологией, а каждый пуск ракеты — еще и громадной нагрузкой на экологию нашей планеты. Нам потребуется дешевая и безопасная технология для вывода в космос полезной нагрузки.

В этом смысле Луна представляет для нас исключительный интерес. Поскольку она всегда обращена к Земле одной стороной, из середины обращенного к Земле полушария можно протянуть к нашей планете трос космического лифта. Пусть вас не пугает его длина — 360 тысяч километров. При толщине троса, выдерживающего 5-тонную кабину, общая его масса составит около тысячи тонн, — он весь уместится в нескольких карьерных самосвалах БелАЗ. Материал для троса нужной прочности уже изобретен, — это углеродные нанотрубки. Нужно только научиться делать его бездефектным по всей длине волокна. Конечно же, космический лифт должен двигаться намного быстрее своих земных аналогов и даже намного быстрее скоростных поездов и самолетов. Для этого трос лунного лифта нужно покрыть слоем сверхпроводника, и тогда кабина лифта сможет перемещаться вдоль него, не касаясь самого троса. Ничто тогда уже не помешает кабине двигаться с любой скоростью. Можно будет половину пути ускорять кабину, и половину пути — тормозить ее. Если при этом применять привычное на Земле ускорение «1 g», то весь путь от Земли до Луны займет всего 3,5 часа, а кабина сможет делать три рейса в сутки. Физики-теоретики утверждают, что сверхпроводимость при комнатной температуре не запрещена законами природы, и над ее созданием работают многие институты и лаборатории мира. Мы можем показаться кому-то оптимистами, но на наш ­взгляд, лунный лифт может стать реальностью уже через полвека.

Мы здесь рассмотрели только не­сколько сторон огромной проблемы колонизации космоса. Анализ обстановки в Солнечной системе показывает, что единственным приемлемым в ближайшие столетия объектом колонизации может стать только Луна.

Хотя Луна и ближе к Земле, чем любые другие тела в космосе, для ее колонизации обязательно нужно иметь средства ее достижения. Если их не будет, то Луна останется такой же недостижимой, как большая земля для Робинзона, застрявшего на маленьком острове. Если бы человечество имело в своем распоряжении много времени и достаточно ресурсов, то можно не сомневаться, что оно преодолело бы любые трудности. Но есть тревожные признаки иного развития событий. Масштабные климатические изменения, на наших глазах меняющие условия жизни людей на всей планете, могут в очень недалеком будущем заставить нас все свои силы и ресурсы направить на элементарное выживание в новых условиях. Если поднимется уровень Мирового океана, то придется заниматься переносом городов и сельскохозяйственных угодий в неосвоенные и непригодные для ведения сельского хозяйства территории. Если климатические изменения приведут к глобальному похолоданию, то придется решать проблему не только обогрева жилья, но и замерзающих полей и пастбищ. Все эти проблемы могут отнять у человечества все силы, и тогда на освоение космоса их может попросту не хватить. А человечество останется жить на родной планете как на родном, но единственном обитаемом острове в безбрежном океане космоса.

А. В. Багров — доктор физико-математических наук, В. А. Леонов — кандидат физико-математических наук (оба — Институт астрономии РАН), А. В. Павлов — доцент МИФИ.

ЗС 10/2017

Номера журнала

 

Читать номера on-line

 

вернуться


Карта сайта | Контактная информация | Условия перепечатки | Условия размещения рекламы

«Сайт журнала «Знание-сила»» Свидетельство о регистрации электронного СМИ ЭЛ №ФС77-38764 от 29.01.2010 г. выдано Федеральной службой по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций (Роскомнадзор)
© АНО «Редакция журнала «Знание-сила» 2012 год

По техническим вопросам функционирования сайта обращайтесь к администратору

При поддержке медицинского портала ОкейДок


Rambler's Top100
av-source