Tarpžvaigždinė arka: „žmonijos gelbėtojo“ problemos

Nemiegoti!

Mokslinės fantastikos knygose ir filmuose tarpžvaigždinių erdvėlaivių ekipažai skrydžio metu dažniausiai būna anabiozės būsenoje. Patogu: ilga kelionė jiems prabėga akimirksniu. Tačiau pažvelgus į situaciją realiau, iškyla nesklandumai. Kas nutiks kosminiam laivui per skrydžio metus? Ar sugebės jis save taisyti ir prireikus – atstatyti, ar saugumo sistemos sugebės atsižvelgti į visus rizikos faktorius ir išvengti kliūčių? O kas nutiks, jei keleivių anabiozės įranga suges, kaip filme Passengers, kurio herojai atsibudo 90 metų anksčiau, nei buvo numatyta? Kiek neįkainojamų mokslinių duomenų žmonija niekados negaus, jei skrydžio metu būtų atsisakyta eksperimentų ir tik miegama?

Gali būti, kad panašūs klausimai ir privertė žmones susimąstyti apie keliones po bekraščius kosmoso tolius neužmiegant. Galima panaudoti „pamainų metodą“: tarkime, kasmet keli astronautai pabunda ir prižiūri kosminį laivą. Po metų juos pakeičia kiti. O jei iki ekspedicijos pradžios žmonija taip ir neras saugaus gilaus miego – anabiozės – sukėlimo būdo? Juk kol kas vyksta tik ankstyviausi eksperimentai.

Iš tokių diskusijų radosi „kartų laivų“ projektai. Tai gerokai lėtesnių nei šviesos greitis tarpžvaigždinių kelionių erdvėlaivis. Toks laivas turėtų skrieti tūkstančius metų. Per tą laiką kolonistai pasens ir numirs, jų vietas užims palikuoniai – ir toks scenarijus būtų vykdomas, kol būtų pasiektas kelionės tikslas.

Vienas iš garsiausių kartų erdvėlaivių projektų buvo sukurtas „Orion“ pagrindu. Šis „sprogimlėkis“ (branduolinis impulsinis erdvėlaivis) buvo kuriamas JAV XX amžiaus viduryje. Jis turėjo būti greitinamas branduoliniais sprogimais, atliekamais netoli nuo erdvėlaivio galo. Dalis sprogimo produktų atsitrenkia į erdvėlaivio „uodegą“, kur masyvi plokštė sugeria smūgio energiją ir per amortizatorius perduodų ją laivui. Energy Limited Orion Starship projekto mastas įspūdingas: erdvėlaivio diametras – 20 kilometrų. Kūrėjų skaičiavimais, iki artimiausios žvaigždžių sistemos Alfa Centauri toks laivas nusigautų per 1330 metų. Erdvėlaivis iš esmės būtų nedidelis kosminis miestas. Tačiau NASA pasirinko pigesnius projektus ir kartų laivas „Orion“ taip ir liko teorija.

Bet jeigu viskas būtų pasisukę kitaip, ar galėtume pirmuosius kolonistus į kosmosą pasiųsti jau dabar? Deja, ne. Kartų laivo koncepcija išsprendžia daugelį teorinių ilgo kosminio skrydžio problemų – ir sukuria naujų. Panagrinėkime, su kokiais sunkumais gali susidurti kartų lavai ir ką reikia turėti omenyje, leidžiantis į kelionę tolimų žvaigždžių link.

Kur skristi?

Kosmoso kolonizacijos šalininkus galima padalinti į dvi grupes: į kuriančius Marso teraformavimo planus ir įsitikinusius, kad naują Žemę surasti galima tik greta kitų žvaigždžių. Egzoplanetų tyrėjai patvirtina, kad už Saulės sistemos ribų galima rasti gyvybei tinkamų dangaus kūnų, nors tai ir nėra paprasta.

Kad persikėlimas būtų sėkmingas, svarbu, kad rasta planeta būtų kuo panašesnė į Žemę. Reikia, kad būtų žemiškai gyvybei tinkama temperatūra ir skysto vandens. Žvaigždė, apie kurią sukasi planeta, turi būti kuo ramesnė – dažni ir intensyvūs žvaigždės blyksniai sukelia smarkius temperatūros šuolius. Žvaigždės skleidžiamų elektringų dalelių srautas gali pažeisti planetos atmosferą, o ilgainiui – dujinį apvalkalą ir visai „nupūsti“. Saulės sistemoje taip tikriausiai nutiko Merkurijui.

Zona apie žvaigždę, kuroje įmanomas skysto vandens egzistavimas, vadinama gyvybės zona. Tai planetų sistemos savotiškos „vidutinės platumos“. Čia planetos nepernelyg toli nuo žvaigždės, gauna pakankamai energijos, kad vanduo nesuledėtų. Tačiau jos ir neperdaug arti šviesulio, kur vanduo gali išgaruoti. Pagal pasakos apie mergaitės, atsidūrusios trijų meškų namuose herojės vardą ši erdvė vadinama „Auksaplaukės zona“. Kol žvėrių nebuvo namie, ji nusprendė šiek tiek numigti ir išbandė namie iš eilės visas tris lovas: viena lova buvo – per kieta, kita – per minkšta, o trečioji buvo kaip tik.

Atrodytų, tereikia tiesiog peržiūrėti visas sistemos planetas ir pasirinkti tinkamą. Deja, toli gražu ne visos gyvybės zonoje esančios planetos mums tinka: gal jose yra skysto vandens, tačiau visos kitos sąlygos žemiečiams gali būti visiškai netinkamos.

2016-ųjų metų vasarą Europos Pietinės oservatorijos astrofizikai paskelbė apie atrastą artimiausiai Žemės esančią egzoplanetą. Ji sukasi apie Centauri Proxima – artimiausią Saulės sistemai žvaigždę – ir dabar vadinasi Centauri Proxima b. Mokslininkų vertinimu, ji skrieja savo šviesulio gyvenamojoje zonoje ir joje visai gali būti skysto vandens. Nė vienas žinomas klimato modelis tam neprieštarauja. Tačiau Proxima Centauri b vadinti naujais mūsų namais dar anksti. Ji yra kur kas arčiau savo žvaigždės, nei Žemė nuo Saulės, ir tokios kaimynystės efektai gali būti nenuspėjami.

2017 metų pradžioje buvo atrastos septynios egzoplanetos, besisukančiios apie šaltą raudonąją nykštukę TRAPPIST-1, esančią Vandenio žvaigždyne. Visų planetų dydžiai panašūs į Žemės. Hipotetiškai, skystas vanduo gali egzistuoti visose septyniose planetose, bet labiausiai tikėtina jo rasti TRAPPIST-1e, f, ir g planetose. Astrofizikai mano, kad nauji teleskopai, tarkime, 2014 metais Čilėje pradėtas statyti Euoropos Itin didelis teleskopas, – galės tiksliai parodyti ar šiose planetose yra vandens.

Net arčiausiai mūsų esanti egzoplaneta yra labai toli

Svarbiausia, kad net arčiausiai mūsų esanti egzoplaneta yra labai toli. Iki jos 4,24 šviesmečiai – egzistuojančiais kosminiais aparatais skrydis iki jų truktų dešimtis tūkstančių metų, o TRAPPIST-1 planetos – dar dešimt kartų toliau. Technologijos vystosi, tačiau atstumai kosmose vis viena atrodo begaliniai. Dėl to vėl ir vėl susimąstoma apie tokius projektus, kaip kartų erdvėlaiviai.

Ateities varikliai

Bet gal kaip nors galima būtų tuos atstumus įveikti greičiau? Egzistuojančių kosminių aparatų galimybių aiškiai negana, tačiau nuolat vyksta naujų būdų paieškos. Vienas iš įspūdingiausų projektų – Saulės (fotoninės) burės. Jose išnaudojamas šviesos slėgis į veidrodinį paviršių. Saulės sistemoje burės gali naudoti Saulės šviesą, ir tokia technologija jau egzistuoja. 2010 metais Japonija į kosmosą iškėlė aparatą IKAROS (angl. Interplanetary Kite-craft Accelerated by Radiation Of the Sun). Jame sumontuota kvadratinė burė, kurios kraštinė 14 metrų, sudaryta iš keturių „žiedlapių“. Jose sumontuotos saulės baterijos. IKAROS turėjo išskleisti Saulės bures ir skrieti jų stumiamas. Su šia užduotimi aparatas susidorojo puikiai. Tačiau Saulės vėjo slėgis santykinai menkas, todėl norint išskrieti iš už mūsų sistemos ribų, teks ieškoti kitų šaltinių. Yra projektų, kuriais tokie prietaisai būtų įspartinami lazeriu. Saulės burės turi nenuneigiamų privalumų: joms nereikia gabentis kuro ir jomis varomas ervėlaivis gali būti gan lengvas. Tačiau tarpžvaigždinio burlaivio paleidimui žmonijai nepakanka išteklių. Reikės labai galingų ir tikslių lazerių arba teks ieškoti iš principo kitokio šios problemos sprendimo.

Kitas jau egzistuojantis perspektyvus variklis – joninis. Jo darbinis kūnas – jonizuotos inertinės dujos (argonas, ksenonas) arba gyvsidabris. Elektriniu lauku jonizuota medžiaga gali būti įgreitinama iki labai didelio greičio. Sistema teigiamus jonus „ištraukia“ iš medžiagos ir išsviedžia į kosmosą, taip sukurdama reaktyvinę stūmą. Joniniai varikliai naudojami Hayabusa (2010 metais jis pargabeno Itokawa asteroido grunto pavyzdžius) ir Dawn (paleistas 2007 metis Vestos ir Cereros tyrimams) zonduose.

Toks variklis pasiekia didelį santykinį impulsą ir nudoja mažai kuro. Šiuolaikinių joninių variklių trūkumas – itin menka trauka, todėl toks variklis negalėtų startuoti iš Žemės, jį tektų statyti už mūsų planetos ribų.

Dar viena įdomi koncepcija – tarpžvaigždinis tiesiasrūvis Bussardo variklis. Tokį variklį turintis erdvėlaivis tarpžvaigždinę medžiagą (daugiausiai – vandenilį) gaudo galingo magnetinio lauko „piltuvėliu“. Piltuvėlio turėtų būti tūkstančių ar net dešimčių tūkstančių kilometrų skersmens. Surinktas vandenilis naudojamas termobranduoliniame raketiniame variklyje. Taip laivas nepriklausytų nuo gabenamo kuro.

Deja, toks variklis irgi turi nemažai techninių apribojimų. Jo maksimalus greitis nebūtų labai didelis, nes kiekvienas sugautas vandenilio atomas sumažina laivo impulsą ir jį kompensuoti trauka galima tik iki gan nedidelio greičio (~0,1 c). Norint šį apribojimą apeiti, reikėtų surasti kuo didesnio sugautų atomų panaudojimo būdų.

Erdvėlaivio visuomenė

Kiek žmonių galėtų leistis į tarpžvaigždinę ekspediciją? Ekspertų vertinimai smarkiai skiriasi, nepaisant to, kad dauguma jų skrydžio trukmę optimistiškai vertina šimtais, o ne tūkstančiais metų. 2002 metais Floridos universiteto antropologas Johnas Moore'as pateikė prielaidą, kad stabilios populiacijos 200 metų trukmės skrydžiui užtektų nedidelio kaimelio gyventojų – maždaug 160 žmonių. Griežtos „socialinės inžinerijos“, kaip antiutopijose nereikėtų, kosmoso kolonijos pagrindu būtų mums įprasta šeima. Kiekvienas turėtų apie 10 tinkamų partnerių santuokai. Netgi šiais laikais, kai pasirinkimas, regis, begalinis, dauguma žmonių ilgalaikių partnerių daugiau neturi.

Tačiau tokiose nedidelėse populiacijose kyla genetinės įvairovės sumažėjimo grėsmė. Ji gali mažėti ir pamažu ir netikėtai – pavyzdžiui, kilus pavojingai infekcijai, ekspedicija susidurtų su „butelio kaklelio efektu“, kai populiacija staiga sumažėja, o paskui palengva atsistato. Genofondas skurdėja, ir tai atsiliepia katastrofą išgyvenusiųjų palikuoniams. Gyvūnų pasaulyje šis efektas paveikė genetinę gepardų įvairovę – manoma, jog kadaise išgyveno vos keli individai. Rūšis atsirado ant išmirimo slenksčio, dabar laukinėje gamtoje visame pasaulyje yra vos apie 7000 individų. Dėl ilgo giminingo kryžminimosi jie menkiau atsparūs susirgimams, o laukinėje gamtoje didžioji dalis jauniklių žūsta per pirmuosius metus.

Dar viena grėsmė kolonistams – „įkūrėjo efektas“. Jis kyla, kai naują teritoriją apgyvendina nedaug kurios nors rūšies atstovų. Jie neišsaugo viso pradinės populiacijos genofondo, todėl irgi gali susidurti su genetinės įvairovės mažėjimo problema.

Antropologas Cameronas Smithas iš Portlando valstybinio universiteto 2013 metais paskaičiavo: siekiant susidoroti su šiomis problemomis 150 metų trukmės skrydžio metu, reikėtų dešimčių tūkstančių žmonių. Jo skaičiavimais, stabiliai populiacijai reikia ~40 000 žmonių, iš kurių bent 23 500 – vaisingo amžiaus. Šiaip jau kolonija gali būti ir mažesnė, jeigu ji turi pakankamai didelį embrionų banką.

Kosmosas rūsyje, kosmosas dykumoje

Žinoma, visi šie klausimai dar ilgai liks teorinių svarstymų lygyje. Dabartinėmis technologijomis siųsti žmones į kaimyninių žvaigždžių sistemas nepavyktų, ir taip bus dar ilgai. Tačiau perspektyvūs tyrimai, galintys priartinti kosminę ateitį, vykdomi jau ne vieną dešimtmetį.

Vieni iš garsiausių tokio tipo eksperimentų – uždarų ekosistemų kūrimas. Kartų erdvėlaivio keleiviai praleis jame tūkstančius metų, todėl kolonija turi būti visiškai apsirūpinanti: pagalbos nebus galima tikėtis. Tokia patirtis pravers ir kuriantis naujoje planetoje. Uždarų sistemų kūrimo projektai prasidėjo aštuntajame praėjusio amžiaus dešimtmetyje, netrukus po žmogaus išsilaipinimo Mėnulyje.

SSRS 1965–1972 metais buvo pastatytas „BIOS-3“. Krasnojarsko Biofizikos instituto rūsyje mokslininkai įrengė hermetišką 14×9×2,5 m ir ~315 m³ patalpą, padalintą į keturis skyrius. „Ekipažo kajutės“ ir įranga užėmė tik vieną iš jų, likusiose veikė kameros-fitotronai augalams ir vandens dumblių talpos. Naudotos ypatingos rūšys, pavyzdžiui, specialiai išvesta nykštukinių kviečių veislė su trumpu stiebu. „BIOS-3“ atlikta 10 eksperimentų, ilgiausias truko 180 dienų. Dalyviams pavyko sukurti visiškai uždarą dujų ir vandens vartojimo sistemą. Maistu jie apsirūpino 80 %.

Dešimtojo dešimtmečio pradžioje atliktas, ko gero, garsiausias uždaros sistemos kūrimo eksperimentas – „Biosfera-2“. Arizonoje, 1,5 ha plote buvo įrengtas kelių pastatų ir oranžerijos kompleksas. Viduje buvo sumodeliuotos kelios gamtinės zonos: tropiniai miškai, savana, mangrovių miškai ir netgi okeanas. „Biosferoje-2“ gyveno apie 3000 augalų ir gyvūnų rūšių. Projekto komandą sudarė aštuoni žmonės – po lygiai vyrų ir moterų. Jie prižiūrėjo vandens ir oro cirkuliaciją užtikrinančią techniką, ūkininkavo ir atlikinėjo įvairius bandymus.

Pirmasis eksprimento etapas truko du metus. Per metus „kolonistai“ sugebėjo suderinti produktų auginimą: pirmuosius mėnesius žmonės nuolat jautė alkį. Paskui jie prie naujojo raciono prisitaikė ir daugelis dalyvių sveikatos rodiklių pasibaigus eksperimentui buvo geresni, pavyzdžiui, sumažėjo kraujo spaudimas. Didžiausia problema tapo deguonies lygio kritimas. Projekto dalyvė Jane Pointer prisimena:

„Kai prarandama daug deguonies, – o pas mus jo lygis sumažėjo gerokai, nuo 21 % iki 14,2 %, – savijauta būna siaubinga. <…> Prabundi, burna gaudydamas orą, nes keičiasi kraujo sudėtis. Miegodamas nustoji kvėpuoti, paskui galiausiai įkvepi ir prabundi. Tai siaubingai erzina. O išorėje visi buvo įsitikinę, kad mes mirštame“.

Manoma, kad deguonies lygis ėmė kristi, nes „Biosferos-2“ mikroorganizmai dauginosi aktyviau, nei tikėtasi. Tas pats vyko ir su vabzdžiais. Naikinti juos nuodais nebuvo galima: taip galėjo būti pažeistas dirbtinės biosferos balansas. Galiausiai projekto organizatoriams teko imtis duomenų falsifikavimo: į sistemą buvo įleista trūkstamo deguonies. Kai apgaulė paaiškėjo, ant eksperimento dalyvių pasipylė kritika. Tačiau deguonies lygis ir toliau mažėjo, nepaisant dujų tiekimo iš išorės, tad lygiai po dviejų metų nuo pradžios pirmasis projekto etapas buvo nutrauktas. Eksperimentas buvo pripažintas nepavykusiu. Tačiau nereikėtų tokių eksperimentų reikšmės nuvertinti. Visų pirma, jie atskleidžia daugybę skaičiavimų „povandeninių akmenų, padeda sukurti realistiškesnius modelius. Antra, šie projektai primena: kosmoso kolonizacijai vien galingų variklių negana. Norinčiai kada nors nusigauti iki kitų planetų žmonijai reikės kuo įvairiausių žinių ir įgūdžių.

Maištas laive?

Tūkstantmečius truksiančių ekspedicijų dalyvių laukia daugybė sunkumų. Dalis problemų susijusios su aplinka: pavyzdžiui, kenksmingas kosminės radiacijos veikimas. Ji gali skatinti vėžio vystymąsi, pažeisti kaulų čiulpus, imuninę sistemą. Todėl, leidžiantis į kosmines keliones, reikia kaip reikiant apsisaugoti. Reikės daugybę parametrų fiksuojančios radiacinės aplinkos prognozavimo sistemos. Pagrindinė užduotis – nustatyti žalos sveikatai lygį ir nuolat sekti balansą. Kolonistams neišvengiamai teks rizikuoti, o erdvėlaivių konstruktoriams – sugalvoti kaip erdvėlaivyje sutalpinti apsauginius elementus, neaukojant naudingo krovinio.

Kaip bebūtų keista, bet ne menkesnį pavojų kelia moraliniai ir etiniai sunkumai. Į kosmosą skrenda nuoširdžiai tam atsidavę žmonės, įsitikinę, kad būtina įsikurti kitose planetose. Bet ar jų palikuoniai sugebės išsaugoti tokį tikėjimą ir ar norės to? O kas, jei „tarpinių“ kartų atstovi pasijus užrakinti aukštųjų technologijų kosminiame kalėjime? Etika privalės rasti atsakymus, antraip nepavyks išvengti problemų.

Pasekmės nenuspėjmos: nuo ekipažo pesimizmo ir apatijos iki atvirų konfliktų. Uždaroje laivo erdvėje tėvų ir vaikų tarpusavio nesupratimas ar ideologiniai ginčai įgautų katastrofišką mastą. Tai patvirtina kad ir tos pačios „Biosferos-2“ istorija. Kai paaiškėjo, kad deguonies lygis nenumaldomai mažėja, eksperimentatoriai pasidalino į dvi grupes. Vieni norėjo nedelsdami nešdintis iš „Biosferos“, kiti – bet kokia kaina vykdyti projektą iki galo. Pasakojama, kad konfliktas taip įkaito, kad daugelis buvusių eksperimento dalyvių lig šiol nesikalba. O juk jie uždaroje sistemoje praleido vos porą metų!

Taigi, kol kas žmonija dar tik pačioje kelio į žvaiždes pradžioje. Reikės dar atlikti daugybę tyrimų, kad būtų galima sukurti gyvybingus save apsirūpinančios kosminės kolonijos ir patikimo tarpžvaigždinio erdvėlaivio projektus.