вернёмся в начало?

Глядя на приведенный ниже рисунок, читатель может вообразить себя жителем космического поселения XXII века, возвращающимся домой после долгого отсутствия. Здесь живут миллионы людей. Внутри огромного сооружения, которое создано с помощью вынесенных в космос промышленных предприятий из материалов, добытых главным образом на Луне, открываются взору почти земные ландшафты холмов, лугов, озер и рек с деревьями, цветами, посевами, домашними животными и птицами. Воздух и вода регенерируются, отходы перерабатываются. Вся конструкция вращается вокруг своей оси, и люди живут в условиях искусственной гравитации.

Что это - научно-фантастические мечты? Нет, утверждает американский физик из Принстонского университета проф. Дж. К. О'Нейл, который уверен, что создание таких внеземных поселений станет необходимым и даже важнейшим этапом развития человечества. Новый всплеск энтузиазма, связанного с идеей создания космических поселений, впервые высказанной в 20-х годах этого столетия К. Э. Циолковским, относится к 1969 г., т. е. к году первого прилунения космического корабля «Аполлон», когда О'Нейл задал группе физиков-первокурсников простой на первый взгляд вопрос: «Пригодны ли планеты для распространения развитой цивилизации?» После продолжительных дебатов вывод был таков - нет! Для ограниченных сообществ людей предпочтительнее создавать самообеспечивающиеся изолированные поселения, воспроизводящие по возможности земные условия жизни и получающие энергию от Солнца. Эта идея была выдвинута в 1974 г. на страницах журнала «Физике тудей» и на студенческой конференции в Принстоне, собравшей около 150 участников. Идея приобрела многих приверженцев и получила поддержку известных ученых, в том числе проф. Ф. Дэйсона и Б. О'Лири, бывшего астронавта-исследователя НАСА. Последовали новые публикации, а в 1975 г. состоялся семинар, организованный совместно Эймской исследовательской лабораторией НАСА и Станфордским университетом.

К удивлению причастных к космосу официальных кругов, которые были обескуражены ослаблением интереса к космосу после высадки на Луну и завершения программы «Аполлон», интерес к идее космических поселений распространялся подобно лесному пожару. О'Нейл и его коллеги получили тысячи писем со всего мира, авторы которых в подавляющем большинстве одобряли и поддерживали это предложение. Идея создания космических поселений с явным ее упором на перспективы уменьшения загрязненности нашей планеты и использования «чистых» источников энергии оказалась очень созвучной движению за охрану окружающей среды, хотя, по-видимому, лишь немногие из ее приверженцев в полной мере осознавали огромную сложность связанных с нею технических проблем.

Внизу. Внутренний вид космического поселения (модель 4) напоминает земные ландшафты. Так же как и в модели 3, жилые помещения, сельскохозяйственные угодья и промышленные предприятия будут размещены в соответствии с требованиями к климату, температуре, продолжительности дня и гравитации. Для освещения предусмотрены огромные окна.

Основу конструкции космического поселения, предложенной первоначально О'Нейлом, составляли два спаренных длинных цилиндра, вращающихся вокруг осей в противоположные стороны для компенсации гироскопического эффекта. Люди будут жить внутри этих цилиндров, на стенах которых будет устроен искусственный ландшафт, образующий естественную растительную среду: траву и деревья, ручьи и водоемы. Три продольные «долины» (зоны земли) перемежаются по кругу «солярисами» (окнами), и естественный солнечный свет попадает во внутреннее пространство с помощью трех прямоугольных зеркал. Положением зеркал управляет компьютер, который регулирует климат и продолжительность дня. На одном конце цилиндрического сооружения имеется солнечная электростанция с большим параболическим зеркалом, которое фокусирует солнечное излучение на паровой котел с рабочим веществом, используемым для привода турбогенераторов. На другом конце устроены причалы для космопланов.

ПЕРСПЕКТИВНЫЕ КОСМИЧЕСКИЕ ПОСЕЛЕНИЯ
	ДЛИНА, км	ДИАМЕТР, км	ЧАСТОТА ВРАЩЕНИЯ, об/мин	НАСЕЛЕНИЕ, тыс. чел. (макс.)
Модель 1 Модель 2 Модель 3 Модель 4	1 3,2 10 32	0,2 0,64 2 6,4	2,85 1,67 0,95 0,53	10 200 2000 20 000

В таблице приведены основные характеристики четырех моделей космических поселений, построенных по принципу сдвоенных цилиндров. Поселение модели 1 будет иметь массу около 500 000 т и почти полностью будет изготовлено из материалов, добытых с Луны. На его создание и обживание потребуется около 16 лет. Когда такое опорное поселение будет полностью оборудовано, оно послужит базой для строительства новых сооружений. Разумеется, эти прогнозы сделаны на основе весьма грубых оценок возможностей космической индустрии XXI века.

Лунный ускоритель массы Линейный синхронный двигатель ежесекундно разгоняет с ускорением 288 м/с2 пять 10-килограммовых ковшей, груженных лунной породой, вдоль направляющих с магнитной подвеской 10-километровой длины. Поскольку ковш следует по направляющим, имеющим кривизну лунной поверхности, груз оторвется от него и уйдет в космос, где будет подобран «перехватчиком». Затем каждый ковш с замедлением 830 м/с2 проходит трехкилометровый тормозный участок и вновь возвращается в зону загрузки.

Итак, что же может предложить инженерная мысль для создания столь колоссальных сооружений? Для осуществления обсуждаемого проекта потребуется строительство на Луне постоянной базы, где около 150 человек будут добывать и с помощью «ускорителя массы», или электромагнитной катапульты (ст. 18), запускать в космос примерно миллион тонн материалов в год. Эти материалы, доставленные во вторую точку либрации, которая отстоит от Луны примерно на 80 450 км, должны быть собраны и отбуксированы космическим кораблем с электрореактивными двигателями малой тяги на расстояние примерно 386 160 км к месту строительства в другой, пятой точке либрации. Предполагается, что около двух процентов необходимых материалов для первого этапа строительства должно поступить с Земли. Основными строительными материалами, вырабатываемыми из лунной породы, будут алюминий и титан - для корпусов конструкции, кремний - для панелей солнечных батарей, кварц - для стекол. Кроме того, понадобится наладить производство кислорода для систем жизнеобеспечения и ракетного топлива. С Земли будут доставляться необходимые элементы - углерод, азот и водород.

Космическое поселение (модель 1) Чтобы оценить проблемы, связанные с идеей создания космических поселений, О'Нейл установил критерии для четырех эскизных моделей таких сооружений. Здесь показана модель 1 в виде двух спаренных вращающихся цилиндров, способная принять 10 000 человек. На внутренних стенках устроен ландшафт с деревьями и лугами, воспроизводящий условия, напоминающие земные. Воздух и вода регенерируются. Цилиндры вращаются вокруг своих продольных осей, чтобы создать искусственную силу тяжести, а люди ходят по внутренним стенкам. Во многом устройство модели поселения подобно космической «оранжерее», предложенной Циолковским. Поступление солнечного света через длинные узкие окна регулируется подвижными зеркалами для установления цикла смены дня и ночи. Численность населения всех моделей будет изменяться в зависимости от их конструкции. Например, большое поселение модели 4 (с. 248) могло бы приютить от 200 000 до нескольких миллионов человек.

Для изготовления различных конструкций предложено несколько технологических процессов - от плавки или спекания лунной породы в солнечных печах до формования требуемых образцов в специальных центрифугах. Грандиозность инженерных задач поражает воображение.

Стимулы

Допустим, что имеются возможности создания колоссальных космических сооружений. Какие же доводы могут послужить политическими и экономическими стимулами к их осуществлению? Один из главных аргументов группы О'Нейла состоит в том, что космические поселения позволят в значительной степени избавить Землю от загрязнений и вредных веществ, выделяющихся при промышленном производстве. Эти сооружения могут стать средством распространения новой промышленной революции, начатой созданием обычных орбитальных станций и основанной на преимуществах использования условий невесомости, космического вакуума и внеземных ресурсов. В конечном счете возможен даже доступ к минеральным богатствам не только Луны, но и некоторых астероидов, на одних из которых можно добывать никель и железо, а на других - получать углеводороды и воду.

Неограниченное использование солнечной энергии - вот то огромное преимущество, которое космические предприятия будут иметь перед промышленностью Земли. Эта энергия может быть использована для выпуска космическими предприятиями продукции, которая служила бы людям на Земле. В первую очередь речь идет о развертывании солнечных электростанций на геостационарной орбите. Вместо дорогостоящей доставки строительных материалов с Земли можно наладить их производство в космосе из внеземного вещества по той же технологии, которая использовалась при сооружении самих космических поселений. Если такие электростанции будут построены и начнут работать, то потребность в атомных электростанциях на Земле резко уменьшится, что позволит в значительной мере решить проблему захоронения радиоактивных отходов. Одновременно сократится потребление нефти, угля и природного газа, а это значит, что атмосфера Земли станет чище; кроме того, уменьшится количество тепла, поступающего в атмосферу при сжигании ископаемого топлива, и тем самым снизится вероятность нежелательных изменений климата. Среди других преимуществ космических поселений следует отметить их неподверженность периодам оледенения и прочим стихийным бедствиям.

Все эти соображения имеют дальний прицел, причем многие аргументы основаны на осознанном понимании, что человечество на Земле ждет сомнительное будущее. Запасы ископаемого топлива, ставшие основой развития цивилизации, близки к истощению, всеобщее признание получила ядерная энергия, с которой связывают много надежд, однако как долго продлится разработка термоядерных реакторов, пока еще неясно.

Какие же оценки по срокам выполнения некоторых из упомянутых планов дают увлеченные открывающимися перспективами специалисты? Отдельные энтузиасты, например, предсказывают, что первое космическое поселение будет сооружено после основания лунной рудодобывающей базы в первой четверти XXI в. Примерно к 2100 г. относят постройку космических поселений типа «Остров-2» с быстро развивающейся технологией, способной обеспечить проживание сотен тысяч человек. Для обслуживания таких поселений потребуется около 200 больших космических кораблей многоразового использования, перевозящих на околоземную орбиту по 500 человек. Эта впечатляющая транспортная система, действующая в совокупности с орбитальными «гостиницами», будет осуществлять примерно 1000 дальних перевозок по 6000 переселенцев в поселения, размещенные в точках либрации.

Достигнув цели путешествия, люди останутся здесь на постоянное жительство. Они быстро привыкнут к окружающим условиям выбранного ими искусственного мира с его собственной естественной прелестью и, мысленно возвращаясь на Землю, станут даже находить оставленные ими места странными и унылыми. Они несомненно перестанут замечать некоторое изменение силы тяжести при перемещении к оси их космического дома и привыкнут к ощущению легкости, с которой можно будет парить на сооруженном в центре конструкции «спортодроме» и совершать плавный полет, прыгая со скал в воды

Вверху. Зодчий будущего? Если космические поселения когда-нибудь и будут построены, то во многом благодаря усилиям физика из Принстонского университета, О'Нейла, который вновь пробудил к ним интерес и стимулировал изучение возможностей их создания.

раскинувшегося у их подножия искусственного озера. Когда люди обретут способность строить в небе нечто вроде «диснеевского мира», вряд ли они станут делать все свои поселения одинаковыми по внутренней планировке и устройству. Одни захотят устроить себе подобие английской сельской провинции, другие воспроизведут пейзаж австрийского Тироля, третьи - тропический «рай». И поскольку поселения находятся в условиях невесомости, можно будет без затруднений путешествовать космическим «автобусом» на экскурсию или даже в отпуск в другие поселения, совершенно иные по стилю и устройству, чем привычный облик «родного» космического дома.

Основные преимущества

Открывая дискуссию на конференции по колонизации космоса, состоявшейся 10 мая 1974 г. в Принстонском университете, О'Нейл подчеркнул следующие основные преимущества космических поселений:

«Промышленная переработка сырья и производство товаров будут недорогими, поскольку рабочие кадры будут жить в условиях комфорта и чистой окружающей среды, а дорога на работу будет занимать несколько минут. Электроэнергия будет дешевой, так как источник ее бесплатный; электростанции, вероятно, будут простой конструкции и просты в эксплуатации, а поскольку электроэнергия будет передаваться не более чем на 30 км, то обогрев за счет солнечной энергии будет безвредным для окружающей среды, полностью контролируемым и почти бесплатным. Кроме того, при необходимости можно будет пользоваться возможностями технологических процессов в невесомости и вакууме.

Доставка готовых товаров потребителям будет обходиться дешево, так как благодаря космическому вакууму и невесомости все поселения будут связаны между собой беспилотными аппаратами, не имеющими двигателей. По всем этим экономическим причинам примерно через столетие промышленное производство почти полностью исчезнет с Земли...».

Итак, О'Нейл считает весьма вероятным, что лет через сто значительная часть человечества сможет жить в космических поселениях, превратив Землю в освобожденный от промышленного производства всемирный парк, который сможет естественным путем постепенно оправиться от почти смертельного удара, нанесенного промышленной революцией.

Вот «главные козыри», благодаря которым этот план может стать экономически осуществимым:

1 Модернизация и приспособление имеющегося оборудования для транспортировки грузов с Земли в пятую точку либрации с минимальными затратами, например использование двигателей и другого оборудования, разработанных для многоразовой транспортной космической системы НАСА «Спейс Шаттл».

2 Почти десятикратный выигрыш в эффективности при местном производстве воды в пятой точке либрации путем доставки с Земли жидкого водорода и соединения его с кислородом, извлеченным из содержащих большое количество окислов пород, добытых на поверхности Луны.

3 Применение автоматических электромагнитных транспортных систем, основанное на преимуществах невесомости и отсутствия атмосферы на Луне, для доставки с ее поверхности не менее 98% материалов, требуемых для строительства.

4 Строительство последующих более крупных моделей поселений с использованием рабочих кадров, которые размещаются, отдыхают и восстанавливают силы в уже построенных сооружениях, а не на Земле.

Однако, несмотря на первоначально проявленный оптимизм, создать космические поселения рассмотренного О'Нейлом типа будет очень непросто. Они будут чревычайно дорогими и технически сложными в строительстве и эксплуатации. Им будет свойствен высокий уровень автоматизации, поэтому любая серьезная авария может иметь катастрофические последствия. Даже элементарная задача выполнения ремонтных работ снаружи этих вращающихся гигантов будет сопряжена с большими трудностями.

Вверху. Сегмент колесообразного космического поселения «Станфордский тор» на конечном этапе сборки. Устройство поселения внутренним диаметром 137 м видно через узкие продольные окна. Обратите внимание на сельскохозяйственные зоны.

Тороидальные поселения

В 1975 г. идеи космических поселений были детально исследованы двадцатью восемью учеными, инженерами, социологами и экономистами во время работы летней школы, организованной совместно НАСА и Станфордским университетом в Маунтин-Вью (шт. Калифорния). На этот раз объектом конструкторских проработок было колесообразное поселение около 1,6 км в диаметре, вращающееся вокруг своей центральной оси для создания искусственной силы тяжести. Предполагается, что внутри колеса, или тора, разместятся 10 000 человек со всем необходимым для жизни, включая магазины, школы, легкую промышленность и сельскохозяйственное производство замкнутого цикла.

Огромное кольцевое зеркало, парящее над поселением, фокусирует солнечный свет на другом кольцевом зеркале, которое в свою очередь отражает свет в кольцевые прорези окон шириной 30,5 м для освещения сельскохозяйственных помещений. В «ступице колеса» размещаются коммуникационное оборудование и причалы для прибывающих космических кораблей и буксиров. Имеется также прямоугольный радиатор для сброса в пространство избыточного тепла. По оси «колеса» вынесено на стержне высокоавтоматизированное промышленное предприятие по переработке лунной руды в условиях невесомости с использованием солнечной энергии.

Внизу. Космическое поселение «Станфордский тор». Над колесообразной конструкцией парит наклонное зеркало, отражающее свет внутрь сооружения через окна и жалюзи. Длинный стержень поддерживает производственный цех космического завода.

И в этом варианте поселения предполагается воспроизведение условий жизни, подобных земным. Однако по проекту атмосфера хотя и должна содержать такое же количество кислорода, как на Земле, но азота в ее состав должно входить немного меньше половины нормы, так что атмосферное давление будет примерно вдвое меньше, чем на Земле на уровне моря. Это позволит свести к минимуму вес конструкции.

Жизненно важной задачей будет защита жителей поселений от космической радиации. Группа исследователей предлагает путем экранирования понизить уровень радиации до уровня менее 0,5 бэр/год - стандарта США для гражданского населения. Для экранирования потребуется 10 млн. т материалов, в качестве которых можно использовать отходы переработки руд. Поскольку производство продовольствия является важнейшей особенностью любого самообеспечивающегося сообщества, в поселении должны практиковаться интенсивные методы ведения сельского хозяйства. Основой его будут зерновые и другие культуры, которые растут тем быстрее, чем больше получают света, а в космических поселениях посевные площади могут освещаться солнечным светом 24 ч в сутки.

В заключение выполненного исследования говорится: «Концентрация углекислого газа и водяного пара в сельскохозяйственных зонах может быть подобрана так, чтобы максимально ускорить рост и созревание растений. Для обеспечения десятитысячного населения овощами, зерновыми, домашней птицей и мясо-молочными продуктами по североамериканским продовольственным нормам понадобятся сельскохозяйственные угодья общей площадью около 450 000 м². Отходы жизнедеятельности животных, растений и человека будут превращаться в чистую воду и удобрения с помощью системы окислительной очистки сточных вод, подобной самым совершенным образцам, уже применяемым на Земле. При коротком цикле регенерации в такую замкнутую систему жизнеобеспечения потребуется добавлять лишь небольшие количества воды и прочих необходимых веществ».

Другая конструкция, рассмотренная во время работы летней школы НАСА и Станфордского университета в 1975 г., имеет размещенное в центре цилиндрическое сооружение с куполами по краям и зеркалами в форме лепестков, которые постоянно следят за Солнцем, что послужило основанием для выбора названия конструкции - «Подсолнух». В этом поселении сельскохозяйственные угодья размещаются во внешнем тороиде, вращающемся в обратную сторону.

Особенности жизни в космических поселениях

Какова же все-таки цель создания космических поселений? Проф. О'Нейл последовательно проводит мысль о том, что осуществление новой промышленной революции в космосе послужит средством спасения тающих ресурсов Земли. Жизнь в космическом поселении вряд ли будет сильно отличаться от жизни горожан на Земле. Группа исследователей уделила значительное внимание аспектам социальной, культурной и личной жизни в космическом поселении. На начальном этапе население таких поселений, по-видимому, будут составлять молодые и энергичные мужчины и женщины, а детей и пожилых людей будет немного. Со временем возрастной состав населения приблизится к земному, со значительным числом детей и престарелых.

Хотя космическое поселение будет иметь высокий уровень автоматизации, работоспособное население должно будет трудиться, чтобы поддерживать нормальную жизнь своего сообщества. Как и на Земле, жизнь людей будет делиться на периоды работы и отдыха. Многие будут приезжать на рабочие места электрическим транспортом, не загрязняющим атмосферу; рабочие и служащие будут доставляться на промышленное предприятие в центральной части конструкции по галереям, которые, входят в купол тора и пронизывают «холмы» и «горы». Другие отправятся в сельскохозяйственные зоны, чтобы выращивать злаки, на рыбоводческие фермы и прочие места производства продовольствия.

Средства связи

Предполагается, что космические поселения будут взаимодействовать между собой, чтобы пользоваться многочисленными источниками продовольствия, энергии и необходимых товаров. Будет осуществляться регулярный импорт и экспорт, чтобы поддерживать требуемый экологический баланс и иметь гарантии на случаи возможных аварий и бедствий. Люди, живущие в различных поселениях, будут связаны между собой с помощью электронных коммуникационных систем. Всего лишь 1,3 с будут отделять космических жителей от Земли по радио- и телевизионным каналам связи, и кто знает, какими новыми удивительными достижениями ознаменуется революция в области микропроцессоров за время, пока станет возможным такое космическое строительство. Никто не будет чувствовать себя оторванным от искусства и культурной жизни и тем более от знаменательных событий в истории человечества. Каждый космический житель сможет пользоваться богатствами автоматизированных библиотек - достаточно лишь обратиться к коммутатору и набрать код, чтобы получить нужную информацию на экране.

Так же, как и на Земле, можно будет выбрать для себя любую из множества разноообразных программ новостей и спортивных передач с Земли или других поселений. Важнейшую роль будет играть голография. С помощью голографии люди смогут наслаждаться пьесами Шекспира из театра или телевизионной студии на Земле или других поселениях, а также в записях. Перед зрителем возникнут «объемные» и «реальные» персонажи - совсем как живые актеры. По тому же принципу могут быть устроены музеи и лектории, которые будут пустыми, пока не включатся прожектора голографической установки и не наполнят их трехмерными образами. С помощью голографического телевидения могут быть организованы «встречи» жителей Земли и поселений, хотя их беседа вследствие временной задержки сигнала, вероятно, покажется несколько ненатуральной.

Строительные блоки В качестве строительного материала для космических поселений можно использовать не только чистые металлы, но и предварительно отлитые плиты из лунного материала. Проект такого поселения приведен ниже. На этом рисунке показано, как плиты связаны между собой предварительно напряженными тросами в силовой структуре корпуса. В центре изображен типичный строительный пустотелый блок, собранный из плит, изготовленных из плавленого «лунобетона». Тросы напряженной обвязки опоясывают тороид и охватывают его сверху вниз. Слева показаны детали устройства секции корпуса. Тросы пропущены в каналах, а места их крепления видны во внешней полости секции. Для приведения тросов в состояние натяжения понадобятся гидравлические домкраты. Справа показано, как соединенные друг с другом пустотелые блоки образуют стенку корпуса.

Колония муравьев в космосе Новый эксперимент, имеющий отношение к будущим космическим поселениям, был включен в вузовский проект «Орбита-81», поддерживаемый фирмой «Радио корпорейшн оф Америка» в рамках специальной программы НАСА «Старт». Вдохновленные идеями О'Нейла студенты двух высших школ, Кэмденской и Вудро Вильсона г. Кэмдена, шт. Нью-Джерси, предложили эксперимент, в котором вместо сообщества людей участвует колония муравьев. Для выбора муравьев имеются веские причины. Во-первых, они имеют прочный наружный скелет, который позволит им выдержать перегрузки во время полета. Они могут жить в небольших пространствах, и у них на ногах есть жгутики (маленькие волосяные отростки), позволяющие им цепляться за шероховатые поверхности, что поможет им при полете в космической капсуле. Кроме того, у них хорошо развит общественный инстинкт. НАСА сообщает, что в соответствии с планом студенческого эксперимента космическое поселение будет иметь три секции и содержать несколько тысяч муравьев. Одна секция капсулы объемом 0,14 м3 будет находиться в невесомости, а в другой благодаря вращению будет создана сила тяжести, вдвое меньшая земной. В третьей секции будут поддерживаться условия, близкие к невесомости. В течение планируемых семи дней полета колонии муравьев периодически будут проводиться кино- и фотосъемки, что позволит проследить их полный жизненный цикл, включая рождение и смерть.

Другие проекты космических поселений

С тех пор как О'Нейл выступил со своими первыми проектами, проблема создания больших космических конструкций исследовалась и другими специалистами. Английский исследователь д-р Д. Дж. Шеппард, например, предложил технологически несложный метод получения из лунной породы материала, подобного бетону, для изготовления прочных корпусов поселений с улучшенными радиационными характеристиками. Эта технология - противоположность «аэрокосмическому» принципу строительства жилищ с широким применением легких сплавов, предложенному в Соединенных Штатах.

Космические поселения совершенно не похожи на другие сооружения. Их будет очень трудно проектировать, поскольку во многих отношениях наш опыт и знания окажутся недостаточными. Поскольку метод экстраполяции очень часто приводит к ненадежным результатам проектирования, крайне важно там, где это возможно, использовать проверенную технологию, говорит д-р Шеппард. Опасностей и без того достаточно, чтобы еще искать приключений с авантюрными идеями, когда в том нет необходимости.

Что же можно считать «проверенной технологией» применительно к космическому поселению массой 10 000 000 т, рассчитанному на срок службы не менее ста лет? Металл вряд ли является подходящим материалом, так как он не был проверен в конструкциях весом более 100 000 т (без «начинки»). Только камень и бетон успешно применялись для строительства сооружений таких же размеров, как и космические поселения. Предварительно напряженный бетон является наилучшим материалом для больших, сверхнадежных объемов, эксплуатируемых под давлением, когда их масса не ограничена, как в случае ядерных реакторов... и космических поселений.

Вверху. Модель производственного цеха космического завода. Здесь лунная порода перерабатывается в алюминий, титан и стекло. Треугольные «крылья» - панели солнечных батарей, которые вырабатывают электроэнергию.

В силу самой природы космических поселений их масса не является критическим параметром, так как очень жесткие требования предъявляются к защитным свойствам их корпуса. Типичная «металлическая» конструкция будет более чем на 90% состоять из бетона и только на несколько процентов из металла, который, собственно, и обеспечивает предварительное напряжение бетона. Рассчитанная на большие давления оболочка конструкции из предварительно напряженного бетона состоит из двух элементов - корпуса, находящегося под напряжением сжатия, и сетчатой арматуры из растянутых тросов. При таком строении корпус будет одновременно выполнять роль силового жесткого каркаса и экрана от радиации, обеспечивая экономичность, надежность и простоту устройства. В предыдущих проектах предусматривалось использование трех типов материалов, доставляемых с Луны. В предлагаемой конструкции будет использовано то же самое количество строительного камня и стекла, но гораздо меньше металла. Эта экономия обусловлена тем, что для усиления конструкции используются тросы, которые могут нести почти в шесть раз большую рабочую нагрузку, чем плоские элементы металлической арматуры.

При сравнении со «Станфордским тором» оказывается, что по любым действующим нормам для больших резервуаров, работающих под давлением, предварительно напряженная конструкция потребует втрое меньше металла, чем полностью металлическая. В проекте предварительно напряженной конструкции предусматривается применение лунной плавленой породы вместо бетона на водной основе, что повысит надежность корпуса по меньшей мере в десять раз.

На рисунке (с. 252) показаны сборочные детали конструкции. Используется принцип «блочного» строительства, известный в современной практике сооружения больших мостов и платформ для морской добычи нефти. Технология отливки больших каменных плит пока еще не известна, но в космических условиях этот процесс будет более простым, чем на Земле. Процедура сборки корпуса начнется с набора «ожерелья» из плит, которое образует одно кольцо тороида. Ниткой «ожерелья» станут меридиональные связующие тросы. Постепенное натягивание этих тросов позволит соединить плиты в жесткое кольцо, которое затем будет усилено на стыках клеями на эпоксидной основе. Сам тороид будет собран из многих таких колец, стянутых кольцевыми тросами напряженной обвязки. Когда тороид полностью собран, все тросы находятся в рабочем напряженном состоянии.

Во избежание постепенного ухудшения прочности корпуса предусмотрено, чтобы трубы и каналы не проходили сквозь переборки, разделяющие полости в стенах. Эти полости отводятся также под посевные и промышленные зоны, которые должны быть устроены так, чтобы их обслуживание было минимальным.

Поступление света внутрь конструкции может быть обеспечено двумя способами. Первый из них соответствует принципу «оконного переплета», примененному в станфордском проекте. Другой вариант заключается в использовании толстых стеклянных плит как структурных элементов корпуса, что придает конструкции легкость, прочность и жесткость, а также одновременно обеспечивает радиационное экранирование. Этот вариант, хотя и дороже, позволяет избежать проблем с устройством светопроводов в виде сложной системы экранов и зеркал в обшивке и открывает возможность создания поселений с однородным по структуре и полностью просвечиваемым корпусом.

Безопасность - это самый главный вопрос всей проблемы космических поселений, говорит в заключение д-р Шеппард. Успехи аэрокосмической техники сократили частоту чрезвычайных происшествий в коммерческой авиации до одной катастрофы на миллион часов полетов, но и этот показатель нельзя считать удовлетворительным для космических поселений, рассчитанных на миллионы часов. Более подходящим следует признать принцип безусловной безопасности, которым руководствуются при создании корпусов ядерных реакторов. Основной строительный материал для реакторов - предварительно напряженный бетон, и поэтому высокая надежность реакторов и космических поселений будет определяться следующими общими для них факторами:

1 В корпусах, находящихся под напряжением сжатия, не развиваются каверны и трещины, в то время как корпуса, находящиеся под напряжением растяжения, могут взрываться, подобно воздушным шарам.

2 Предварительно напряженный бетон имеет высокую надежность благодаря большому числу независимых тросов обвязки.

3 Емкости высокого давления, изготовленные из предварительно напряженного бетона, перед серьезной аварией дают течь.

4 В ходе сборки возможно проведение испытаний материалов и при необходимости их замены.

5 Обшивка из камня очень устойчива и долговременна, а тросы обвязки в толще камня хорошо защищены.

6 Напряженный бетон легко ремонтировать.

Д-р Шеппард пишет: «При строительстве сооружений из предварительно напряженного бетона объем работ по изготовлению элементов конструкций будет уменьшен благодаря простоте и сокращению номенклатуры производственных процессов производства материалов и выпуска готовых изделий. Трудно сравнивать объемы работ по сборке элементов, однако опыт, накопленный в земных условиях, показывает, что предварительно напряженные конструкции изготавливаются по более простой технологии, чем сварные. Проведение периодической инспекции и профилактических осмотров напряженных конструкций гораздо легче, поскольку места повреждений легче локализовать и характер самих повреждений не так опасен. До сих пор мы говорили о затратах труда в экономическом, т. е. безличном, смысле. Надо полагать, что сами строители отдадут предпочтение бетону за его экранирующие свойства - ведь конструкция, хотя бы частично построенная из бетона, обеспечит полную защиту от радиации, в то время как обшивка, включающая металлические части, может даже усугубить эту опасность. Хотя затраты труда являются наименее определяющим фактором, стоит отметить, что строительство сооружений из напряженного бетона вряд ли потребует больше рабочей силы, чем строительство сооружений из металла».

Точки либрации Идеальными для размещения космических поселений являются точки либрации системы Земля - Луна, в которых центробежные силы уравновешиваются гравитационными силами, действующими в этой системе. Точки либрации L4 и L5 предпочтительнее, поскольку они устойчивы. Точки L1 и L2 могут быть использованы как пункты стыковки космических кораблей, обслуживающих строительство поселений. На существование точек либрации впервые указал французский астроном Жозеф Луи Лагранж в 1772 г. «Станфордский тор» Колесообразное космическое поселение заключено в наружный экран, по форме напоминающий автопокрышку. Колесо вращается для создания искусственной силы тяжести, эквивалентной земной. Невращающееся зеркало над поселением отражает солнечный свет внутрь строения через сложную систему экранов и зеркал. Внизу в 10 км от поселения в невесомости подвешен космический завод, оборудованный солнечной печью. Сбоку выставлен невращающийся радиатор, излучающий избыточное тепло. Сооружение, предложенное в 1975 г. группой инженеров Эймской лаборатории НАСА и студентов Станфордского университета «Станфордский тор», было взято за основу английским инженером д-ром Д. Дж. Шеппардом при исследовании проблемы строительства космических конструкций из внеземных материалов. Главной частью проекта «Станфордский тор» является колесообразное сооружение, изготовленное преимущественно из металла и вращающееся в неподвижном внешнем корпусе с изготовленным из лунной породы экраном для защиты от поражающего космического излучения. Проект Шеппарда при тех же размерах и проектных параметрах имеет совершенно иные принципы построения и другое внутреннее устройство. Основным строительным материалом является «лунобетон», полученный путем промышленной переработки лунной породы. Тройной сборный корпус, подобный корабельному с двойным дном, спроектирован так, чтобы обеспечивать требуемую прочность и герметичность в случае повреждений, а также чтобы свести к минимуму утечку атмосферы в нормальных условиях. В толще корпуса имеются две полые прослойки шириной 3 м каждая, причем внутренняя находится при нормальных атмосферных условиях, а во внешней давление не поддерживается, чтобы можно было обнаруживать и заделывать течи. Натянутые стальные тросы, пропущенные по каналам в толще каменных переборок и обвязывающие всю конструкцию, придают корпусу жесткость. На увеличенном изображении одной из секций корпуса (с. 252) показано пространственное распределение несущего материала. Утолщенная средняя переборка несет основную нагрузку и обеспечивает радиационное экранирование. Строительство космического поселения 1 «Перехватчик» 2 Подача расплавленной лунной породы. 3 Производство тросов напряженной обвязки. 4 Готовые тросы. 5 Сборка пустотелых секций корпуса из плит. 6 Вращающийся цех отливки строительных плит в условиях невесомости. 7 Загрузка лунной породы. 8 Солнечная печь. 9 Переработанная порода. 10 Извлечение железа из расплавленной породы и выплавка легированной стали. 11 Загрузка лигатуры. 12 Буксировка секций корпуса к шаблону. 13 Приспособление для сборки секций в «ожерелье», образующее блочный сектор тора (не вращается). 14 Подача очередного«ожерелья» к посадочной плоскости тороида для монтажа. 15 Спицы, служащие оправкой для незавершенного тороида. До начала работ на Луне должна быть развернута горнодобывающая база для получения сырья, которое будет отправляться в космос электромагнитной катапультой, или «ускорителем массы». Ускоритель массы непрерывным потоком выбрасывает порции дробленой породы, которые затем собираются специальным кораблем - «перехватчиком» в одной из точек либрации (L1 или L2). Шихта доставляется на космический завод для переработки в пустотелые строительные блоки и металл. Космическое поселение из «лунобетона» 1 Причальный модуль для космических кораблей (не вращается). 2 Центральный узел конструкции («ступица»). 3 Узел конструкции, используемый как штаб-квартира строительства поселения (не вращается). 4 Спицы между тором и «ступицей». 5 Окна с тройным остеклением. 6 Жилая зона в форме автопокрышки. 7 Разрез конструкции, показывающий внутренний вид (подробнее показан слева). 8 Основание для зеркал. 9 Тепловой радиатор (не вращается). 10 Устройство тройного остекления окон главной зоны в разрезе. 11 Зеркальное устройство для солнечного освещения сельскохозяйственных зон. 12 Окна для внутреннего освещения поселения. 13 Пустотелые строительные блоки с проходящими в каналах натянутыми тросами обвязки конструкции (с.252). 14 Оборудование во внутренней секции стен. 15 Балконы, с которых открывается вид на озера с рыбой и сады с деревьями, цветами, птицами. 16 Главная четырехэтажная жилая зона с кафе и магазинами на первом этаже. 17 Аварийные убежища. 18 Промышленная зона. 19 Основные коммуникации. 20 Склады. 21 Оборудование для систем управления, а также муниципальных, коммерческих и научных нужд во внутренней полости корпуса. 22 Искусственное освещение. 23 Веерные своды. 24 Крыша, расположенная на высоте 113 м от «земли» ограничивает искусственную среду поселения, лишенную загрязнений, воздух в которой очищает и восполняется живыми растениями. 25 Сельскохозяйственная зона. В основу этого проекта положен принцип «Станфордского тора» с тем отличием, что главным строительным материалом является плавленная лунная порода - «лунобетон», а не металл. Собранное колесообразное поселение удовлетворяет как требованию создания в целом вращающейся конструкции, так и требованию эффективной радиационной защиты.

Более того, сооружения из бетона будут служить гораздо дольше, чем сооружения из сплавов или стали. При необходимости проведения восстановительных работ толстостенный бетонный корпус, по-видимому, можно заделать изнутри, в то время как металлическая обшивка более доступна для ремонта в опасных условиях с внешней ее стороны.

Шеппард продолжает: «Внутренние узлы и детали могут быть легко прикреплены к корпусу из бетона болтовыми соединениями, поскольку поверхностный слой не влияет на прочность конструкции в целом. Сопоставьте это с теми проблемами, которые возникают, когда надо что-либо приварить к сильно напряженной стальной конструкции. Вдобавок представьте себе полного энтузиазма космического умельца, который просверливает насквозь тонкую металлическую оболочку в попытке навесить книжные полки. Бетон гораздо более надежный материал просто потому, что он толще и устойчивее к большинству воздействий... Чисто психологически можно найти много доводов в пользу каменной твердыни толщиной в 1,6 м под ногами!

В любых конструкциях, сооружаемых в точках либрации из доставляемого с Луны материала, будут применяться как выплавляемый из него металл, так и образующиеся при этом шлаки... вопреки традиционному мнению, что спутники и космические электростанции непременно должны быть ажурными металлическими сооружениями».

«Космический остров» Деметры

Д-р Фрэнк Д. Гесс из фирмы «Аэроспейс корпорейшн» разработал другую возможную альтернативу, предложив концепцию «Космического острова» Деметры. Исходя из основного требования обеспечения наиболее благоприятных условий для космического сельского хозяйства и других жизненно важных функций, в том числе космического производства, он предложил идею устройства космического поселения, которая логичным и естественным образом соответствует исходному предположению о нарастании объема производимого продовольствия, регенерируемых отходов и атмосферы.

Чтобы ограничить количество материалов, требуемых для строительства, и сохранить объем атмосферных газов внутри границ поселения, на начальном этапе его существования поселение имеет форму тонкого тороида, заключенного в цилиндр с плоскими крышами на торцах. Веретенообразное тело в центре цилиндра образует производственную зону в невесомости. Свободно парящие зеркала, размещенные вне поселения на расстоянии около 3 км, отражают солнечный свет для освещения и производства энергии с помощью фотоэлектрических преобразователей. Тороид внутри цилиндра является жилой и сельскохозяйственной зоной. Первоначально размер его сечения составит всего 50 м, что позволит обойтись сравнительно небольшим объемом атмосферного воздуха, в состав которого входит доставляемый с Земли азот или заменяющий его газ. (Надежда отыскать достаточные источники азота на Луне или астероидах очень мала, хотя со временем Юпитер или его луны, быть может, станут источниками азота в виде аммиака.) Тор устроен так, что его внутренний объем можно изменять; когда количество имеющегося азота возрастет, «крышу» можно будет поднять, чтобы увеличить жизненное пространство.

Советские эксперименты В 1926 г. К. Э. Циолковский выступил с обсуждением вопроса о размещении крупных поселений вокруг Земли и даже предложил проект вращающейся конструкции такого поселения, в котором могли расти деревья и растения. В течение нескольких лет советские ученые работали над созданием искусственной среды обитания, подобной земной, где находящиеся в космосе люди могли бы жить продолжительное время. В этих экспериментах на Земле в изолированном помещении с помощью производящих кислород растений поддерживался пригодный для дыхания воздух. Растения выращивались гидропонным методом, т. е. в воде с растворенными в ней питательными веществами при искусственном освещении. Два испытателя жили в таком изоляторе 4 мес, выращивая пшеницу и овощи. Воды, получаемой путем конденсации из атмосферы, хватало для удовлетворения личных нужд, а вместе с обработанными сточными водами - и для водоснабжения растений, выращиваемых в искусственной почве или в пластмассовой пленке. Урожай состоял из овощей, клубневых и хлореллы (для производства кислорода и водоочистки). Зерно, собранное с «гидропонной пашни», перемалывалось и использовалось для выпечки. Но система не была полностью замкнутой: нехватку животного протеина и жира приходилось покрывать за счет консервированных продуктов. Каждый исследователь имел кухню с электроплитой и холодильником, душ и туалет, комнату отдыха, маленькую библиотеку, радио и телевизор. Они могли видеть друг друга через большие окна и переговариваться по телефону. В 1978 г. советские ученые опубликовали описание наземного космического корабля, Космическая станция Циолковского Его предложение поразительно предвосхитило современные принципы устройства космических поселений. Циолковский предложил вращающееся сооружение, в котором создается искусственная гравитация, и предусмотрел размещение производящих кислород растений на внутренних стенках «космической оранжереи». На рисунке также показаны стеклянные окна (слева), кольцевое лабораторное помещение вокруг зоны с растительностью, тоннели сообщения с отсеком команды и шлюзовая камера со стыковочным устройством (справа). в котором трое добровольцев жили в течение года. Они дышали производимым растениями кислородом и выращивали продовольственные культуры в искусственной почве из ионитных смол, насыщенных питательными веществами. Основу этой почвы составляли полимеры, образующие нечто подобное химической губке. Питательный раствор проходил через всю массу ионитной почвы, которая сама отбирала все минеральные вещества, необходимые растениям, в нужных для питания корней количествах. Образцы ионитной почвы испытывались в космосе на борту станции «Салют-4» и продолжали удовлетворительно «работать» по возвращении. После съема нескольких урожаев их свойства восстанавливались путем обработки растворенными в воде специальными таблетками. Однако применение пескообразного ионитного субстрата в условиях невесомости на реальных космических кораблях связано с определенными трудностями, поэтому были разработаны новые пенообразные и нитевидные ионитные материалы в виде толстой розовой или светло-коричневой ткани, которая не будет крошиться в невесомости. Чтобы растения нормально развивались, в инертный наполнитель, песок или древесные опилки достаточно добавить 20- 30% ионитов. Такого рода техника, видимо, найдет большое применение в крупных космических поселениях, которые предлагает проф. О'Нейл, причем в качестве песка можно будет применять лунную почву.

Вверху. Общий вид космического поселения на 10000 человек, предложенного Эймским исследовательским центром НАСА в 1976 г. Поселение защищено от космического излучения невращающимся экраном, изготовленным из отходов переработки лунной породы.

Другое новшество предложения д-ра Гесса заключается в методе формирования силовой основы конструкции. Он предлагает каркас из алюминия, который перекрывается тросами из непрозрачного стекловолокна, изготовленными из лунной реголитовой породы вытягиванием стеклянных нитей и свиванием их в тросы. На алюминиевый каркас как на оправу с натягом наматываются стеклянные тросы перекрещенными слоями, пока толщина обмотки не достигнет 2 м. Когда поселение вместе с экранами вращается со скоростью 1,25 об/мин, этот слой лунного стекла, охватывающий алюминиевый корпус, служит одновременно и элементом конструкции, поддерживающим алюминиевый каркас, и радиационной защитой. Крыша «над головой» в тороидальной жилой и сельскохозяйстченной зонах изготовлена из прозрачных стеклянных панелей.

Социальный аспект

Новизна идеи заселения космоса заключается не только в овладении необходимой техникой. Привлекательность доводов в пользу космических поселений в значительной мере проистекает из новых возможностей, которые они открывают для технического прогресса, не разрушающего тонкого экологического равновесия на Земле в отличие от предыдущей промышленной революции. Что действительно захватывает воображение, так это мысль о том, что космические поселения предоставят шанс выработать новые общественные структуры, основанные на принципах истинной взаимозависимости и заботы о сохранении ресурсов и экологии. Можно предположить, что люди различных культурных традиций и даже различных религиозных принадлежностей смогут поселиться в разных космических поселениях и построить свою судьбу по собственному усмотрению,- но этот путь не изменит человеческой природы и в конце концов может привести к конфликтам.

Это, однако, оборотная сторона медали. Как отметила группа исследователей летней школы 1975 г., многие люди с тоской смотрят в будущее вследствие ограниченности продовольственных и энергетических ресурсов. Если человечество станет упорствовать в своем стремлении остаться на Земле, единственным решением проблемы будут, видимо, принудительные политические меры по распределению ресурсов, недостаточных для удовлетворения мировых потребностей. Это неизбежно посеет семена раздора.

Устройство общественного порядка в космическом поселении может стать трудным делом. Разве нет опасности, что люди вывезут с собой груз всех старых догм и дух соперничества? Если же люди попытаются избежать такой опасности путем персонального отбора, то не заслужат ли они обвинения в элитизме?

Чтобы такие проекты стали действительно международными, узы, порожденные установившимся политическим порядком на Земле, должны отойти на второй план во имя общего блага.

в начало назад