Drömmen om att resa till en annan stjärna och plantera mänsklighetens utsäde på en avlägsen planet ... Det är ingen överdrift att säga att den har fängslade människans fantasi i århundraden. Med modern astronomi och rymdåldern föddes till och med vetenskapliga förslag på hur det skulle kunna göras. Men naturligtvis är det att bo i ett relativistiskt universum många utmaningar för vilka det inte finns några enkla lösningar.
En av de största utmaningarna har att göra med den stora mängden energi som krävs för att få människor till en annan stjärna inom deras egen livstid. Därför varför vissa förespråkare för interstellar resor rekommenderar att du skickar rymdfarkoster som i huvudsak är miniatyriserade världar som kan rymma resenärer i århundraden eller längre. Dessa "generationsfartyg" (alias världsskepp eller Interstellar Arks) är rymdskepp som är byggda för verkligt lång tid.
Logiken bakom ett generationsfartyg är enkel: om du inte kan resa tillräckligt snabbt för att komma till ett annat stjärnsystem inom en enda livstid, bygg ett fartyg tillräckligt stort för att kunna bära allt du eventuellt skulle behöva för en lång resa. Detta skulle innebära att säkerställa att ett fartyg har ett tillförlitligt framdrivningssystem som kan ge ett stabilt drivkraft under acceleration och retardation och de nödvändiga bekvämligheterna för flera generationer av människor.
På toppen av allt detta skulle fartyget kunna säkerställa att dess besättningar hade mat, vatten och andningsluft - tillräckligt för att hålla i århundraden eller till och med årtusenden. Med all sannolikhet skulle detta innebära att ett mikroklimat med slutet system inuti fartyget, komplett med en vattencykel, en kolcykel och en kvävecykel. Detta gör det möjligt att odla mat och att vatten och luft kontinuerligt kan återvinnas.
Att nå de närmaste stjärnorna
Den närmaste stjärnan till vårt solsystem är Proxima Centauri, en M-typ (röd dvärg) huvudsekvensstjärna som ligger ungefär 4,24 ljusår bort. Denna stjärna är en del av ett trippelstjärnsystem som inkluderar Alpha Centauri-systemet, en binär bestående av en huvudsekvens solliknande stjärna (en G-typ gul dvärg) och en huvudsekvens K-typ (orange dvärg) stjärna.
Förutom att vara det närmaste stjärnsystemet till vårt eget, är Proxima Centauri också hem för den närmaste exoplaneten till jorden - Proxima b. Denna markbundna (aka. Steniga) planet - vars upptäckt tillkännagavs 2016 av European Southern Observatory (ESO) - är ungefär lika stor som jorden (1,3 jordmassor) och banor inom den cirkumsolära bebyggda zonen för sin stjärna.
Den näst närmaste exoplaneten som kretsar kring sin stjärns HZ är Ross 128 b, en jordstorks exoplanet som kretsar kring en röd dvärgstjärna cirka 11 ljusår bort. Den näst närmaste solliknande stjärnan är Tau Ceti, som ligger knappt 12 ljusår bort och har en potentiellt bebörlig kandidat (Tau Ceti e). Det finns faktiskt 16 exoplaneter inom 50 ljusår från Jorden som kan stödja livet.
Men som vi utforskade i en tidigare artikel, att resa till ens närmaste stjärna skulle ta mycket lång tid och kräva en enorm mängd energi. Med konventionella framdrivningsmetoder kan det ta mellan 19 000 och 81.000 år att komma dit. Med hjälp av föreslagna metoder som har testats men som ännu inte byggts (som kärnvapen) förkortas resetiden till cirka 1000 år.
Det finns föreslagna metoder som kan nå de närmaste stjärnorna inom en enda livstid, till exempel framdrivning med riktad energi - till exempel Breakthrough Starshot. För detta koncept skulle ett lätt segel och rymdskepp i gram skala kunna accelereras till 20% ljusets hastighet (0,2 c), vilket gör resan till Alpha Centauri på bara 20 år. Starshot och liknande förslag är emellertid alla obesvarade koncept.
Utöver detta är de enda möjliga metoderna för att skicka människor till ett annat stjärnsystem antingen tekniskt genomförbara (men outvecklade) eller helt teoretiska (som Alcubierre Warp Drive). Med detta i åtanke har många forskare utarbetat förslag som skulle försvinna hastigheten och istället fokusera på att hysa besättningar under den långa resan.
Exempel på fiktion
Det tidigaste inspelade exemplet verkar ha gjorts av ingenjör och science fictionförfattare John Munro's i sin roman En resa till Venus (1897). I den nämner han hur mänskligheten kan bli en interstellär art en dag:
”[W] med ett fartyg som är tillräckligt stort för att innehålla livets behov, kan ett utvalt parti av damer och herrar starta för Vintergatan, och om allt gick rätt, skulle deras ättlingar anlända dit under några miljoner år. ”
Konceptet behandlades mer detaljerat i science fiction-romanen från 1933 När världen kolliderar, som författades av Philip Wylie och Edwin Balmer. I den här historien är jorden på väg att förstöras av skurkplaneter som passerar genom solsystemet. Detta tvingar en grupp astronomer att skapa ett massivt fartyg med en besättning på 50, tillsammans med boskap och utrustning, till en ny planet.
Robert A. Heinlein utforskade också de fysiska, psykologiska och sociala effekterna av ett generationsfartyg i en av hans tidigaste romaner, Orphans of the Sky. Historien publicerades ursprungligen som två separata noveller 1941 men släpptes på nytt som en enda roman 1963. Fartyget i denna berättelse är känt som Förtrupp, ett generationsfartyg som är permanent rekryterat i rymden efter ett myteri ledde till dödsfallet av alla piloter.
Generationer senare har ättlingarna glömt fartygets syfte och natur och tror att det är hela universum. Huvuddelen av besättningen bor fortfarande inom cylindern, men en separat grupp av "mutier" (som växelvis betyder att de är mutanter eller mutinerare) bor i de övre däcken där tyngdkraften är lägre och exponering för strålning har orsakat fysiska förändringar.
Arthur C. Clarke's Rendezvous med Rama (1973) är utan tvekan det mest kända exemplet på ett generationsfartyg inom science fiction. Till skillnad från andra fiktiva behandlingar av konceptet var fartyget i denna berättelse utomjordiskt ursprung! Denna massiva rymdcylinder, känd som Rama, är en fristående värld som bär "Ramans" från ena sidan av galaxen till den andra.
Berättelsen öppnas när en besättning från Jorden skickas till mötet med fartyget och utforska interiören. Inuti hittar de strukturer som är anordnade som städer, transportinfrastruktur, ett hav som sträcker sig runt mitten och horisontella diken som fungerar som fönster. När fartyget kommer närmare solen, översvämmar det ljus och maskinerna börjar leva.
Så småningom drar de mänskliga astronauterna slutsatsen att byggnaderna faktiskt är fabriker och att skeppshavet är en kemisk soppa som kommer att användas för att skapa "Ramans" när den når sin destination. Men i slutändan är vårt solsystem bara en mellanlandning på deras resa och att det är så ramarna frön galaxen med sina arter.
I Alastair Reynolds Chasm City (2001) - som är en del av hans Uppenbarelsesrum serie - mycket av historien sker ombord på en serie stora, interstellära rymdskepp. Dessa fartyg reser till 61 Cygni, ett binärt stjärnsystem som består av två orange dvärgar av K-typ, för att kolonisera en värld som är känd i hela serien som Sky's Edge.
Dessa fartyg beskrivs som cylindriska och förlitar sig på antimateriell framdrivning för att resa med relativistiska hastigheter. Förutom att ha ett komplement av kryogentfrysta passagerare har dessa fartyg en besättning under vakna förhållanden och har all nödvändig utrustning och utrustning för att hålla dem underhållna. Dessa inkluderar personliga lokaler, mess hallar, medicinska vikar och rekreationscentra.
År 2002 släppte den berömda science fiction-författaren Ursula K. LeGuin sitt eget tag på effekterna av rymdreser mellan generationer, med titeln Paradiser förlorade. Inställningen för den här historien är Upptäckt, ett fartyg som har färdats genom rymden i generationer. När de som kommer ihåg Jorden börjar dö av börjar de yngre generationerna känna att fartyget är mer påtagligt för dem än antingen lore om deras gamla hemvärld eller deras destination.
Så småningom uppstår en ny religion som kallas "salighet" som lär att Upptäckt (”Rymdskeppshimmel” för de troende) är faktiskt bundet för evigheten snarare än en annan planet. Denna religion omfamnas till olycka för den äldre generationen som fruktar att deras barn aldrig vill lämna fartyget när den anländer. Denna berättelse anpassades också till en opera 2012.
2011-romanen Leviathan vaknar av James S. A. Corey (och efterföljande avbetalningar i Vidd serien) har ett generationsfartyg med namnet “Nauvoo”. Detta fartyg byggs av en grupp mormoner så att de kan resa till ett annat stjärnsystem och kolonisera där. Nauvoo beskrivs som en massiv, cylindrisk form och roterar för att generera konstgjord tyngdkraft för sin besättning.
I Kim Stanley Robin's Aurora (2015) äger huvuddelen av historien ombord ett eponym-namnt interstellärt rymdskepp. Robinson beskriver ett fartyg som använder två roterande torii för att simulera gravitationen medan folket lever i en serie jordanalogiska miljöer. Deras ultimata destination är Tau Ceti, en solliknande stjärna som ligger 12 ljusår från jorden, där de tänker kolonisera en exomoon som kretsar kring Tau Ceti e.
Fartyget beskrivs som ett fartyg i Orion-klass som använder den kontrollerade explosionen av termonukleära anordningar för att generera framdrivning, tillsammans med en elektromagnetisk grupp som används för att sjösätta det från solsystemet. I Robinsons signaturstil ägnas också stor uppmärksamhet åt hur kolonisterna upprätthåller en försiktig balans ombord på deras fartyg och de psykologiska effekterna av resor med flera generationer.
Förslag
Flera förslag har lagts fram av forskare och ingenjörer sedan början av 1900-talet. Många av dessa förslag presenterades i form av studier medan andra populariserades i science fiction-romaner. Det tidigaste kända exemplet var essäet från 1918 "The Ultimate Migration" av raketpionjären Robert H. Goddard (för vilken NASA: s Goddard Space Flight Center heter).
Besättningen skulle tillbringa den århundraden långa resan i avstängd animation, där piloten väcktes med intervaller för att göra korrigeringar och underhåll av banan. Som han skrev:
”Piloten bör väckas eller animeras med intervaller, kanske på 10 000 år för en passage till de närmaste stjärnorna, och 1 000 000 år på stora avstånd, eller för andra stjärnsystem. För att åstadkomma detta bör en klocka som drivs av en viktändring (snarare än med elektriska laddningar, som ger för snabba effekter) av ett strålningsämne, användas ... Denna uppvaknande skulle naturligtvis vara nödvändig för att styra apparaten, om det blev av sin kurs. ”
Han föreställde sig också att atomenergi skulle kunna användas som en kraftkälla; men om detta inte räcker skulle en kombination av väte och syrebränsle samt solenergi räcka. Baserat på sina beräkningar uppskattade Goddard att dessa skulle vara tillräckliga för att få fartyget upp till hastigheter från 4,8 till 16 km / s (3 till 10 mi / s), vilket går ut till 17 280 km / h till 57 600 km / h (10 737) till 36.000 km / h) eller 0.000016% till 0.00005% ljusets hastighet.
Konstantin E. Tsiolkovsky, ”astronautisk teoris fader”, behandlade också idén om ett månggenerationellt rymdskepp i sin uppsats ”The Future of Earth and Mankind” (1928). Tsiolkovsky beskrev en rymdkoloni (en ”Noah's Ark”) som skulle vara självförsörjande och där besättningarna hölls under vakna förhållanden tills de nådde sin destination tusentals år senare.
En annan tidig beskrivning av ett generationsfartyg finns i essäet "The World, The Flesh & The Devil" från 1929 av J. D. Bernal (uppfinnare av "Bernal Sphere"). I detta inflytelserika uppsats skrev Bernal om mänsklig evolution och det är framtiden i rymden, som inkluderade fartyg som vi idag skulle beskriva som "generationens fartyg."
1946 föreslog den polsk-amerikanska matematikern Stanislaw Ulam en ny idé känd som Nuclear Pulse Propulsion (NPP). Som en av bidragsgivarna till Manhattan-projektet såg Ulam hur kärnenheter skulle återanvändas för rymdutforskningen. 1955 lanserade NASA Project Orion i syfte att utreda NNP som ett sätt att genomföra resor med djupa rymden.
Detta projekt (som officiellt gick från 1958 till 1963) leddes av Ted Taylor på General Atomics och fysiker Freeman Dyson från Institute for Advanced Study i Princeton, New Jersey. Det övergavs efter det att fördraget om begränsat testförbud (undertecknat 1963) inrättade ett permanent förbud mot kärnkraftsförsök i jordbana.
1964 föreslog Dr. Robert Enzmann det mest detaljerade konceptet för ett generationsfartyg hittills, därefter känt som ”Enzmann Starship”. Hans förslag krävde ett fartyg som skulle använda deuteriumbränsle för att generera fusionsreaktioner för att uppnå en liten procentandel av ljusets hastighet. Farkosten skulle mäta 600 meter (2000 fot) i längd och rymma en initial besättning på 200 (med utrymme för utbyggnad).
Under 1970-talet genomförde det brittiska interplanetära samhället en genomförbarhetsstudie för interstellär resor känd som Project Daedalus. Denna studie krävde skapandet av ett tvåstegs fusionsdrivet rymdskepp som skulle kunna göra resan till Barnards Star (5,9 ljusår från jorden) under en enda livstid. Medan detta koncept avsåg ett rymdskepp som inte är besatt, skulle forskningen informera framtida idéer för besättningsuppdrag.
Till exempel har den internationella organisationen Icarus Interstellar sedan dess försökt att vitalisera konceptet i form av Project Icarus. Grundades 2009 och Icarus 'frivilliga forskare (av vilka många har arbetat för NASA och ESA) hoppas kunna göra fusionsframdrivning och andra avancerade framdrivningsmetoder till verklighet under 2000-talet.
Studier har också genomförts som har betraktat antimateria som ett framdrivningsmedel. Denna metod skulle involvera kolliderande atomer av väte och antihydrogen i en reaktionskammare, vilket ger fördelarna med otrolig energitäthet och låg massa. Av denna anledning, NASA: s Institute for Advanced Concepts (NIAC) forskar på tekniken som ett möjligt medel för långvariga uppdrag.
Mellan 2017 och 2019 genomförde Dr. Frederic Marin från Astronomical Observatory i Strasbourg en serie mycket detaljerade studier om de nödvändiga parametrarna för ett generationsfartyg - inklusive minsta besättningsstorlek, genetisk mångfald och fartygets storlek. I alla fall förlitade han och hans kollegor sig på en ny typ av numerisk programvara (kallat HERITAGE) som de skapade själva.
För de två första studierna utförde Dr. Marin och hans kollegor simuleringar som visade att en minsta besättning på 98 (max. 500) för att vara kopplad till en kryogen bank av spermier, ägg och embryon för att säkerställa överlevnad (men undvika överbeloppning ) samt genetisk mångfald och god hälsa vid ankomst.
I den tredje studien bestämde Dr. Marin och ett annat forskargrupp att ett generationsfartyg skulle behöva mäta 320 meter (1050 fot) i längd, 224 meter (735 fot) i radie och innehålla minst 450 m² (~ 4 850 fot²) ) av konstgjord mark för jordbrukets skull. Detta land skulle också säkerställa att fartygets vatten och luft skulle återvinnas som en del av ett mikroklimat.
Fördelar
Den största fördelen med ett generationsfartyg är det faktum att det kan byggas med beprövad teknik och kommer inte att behöva vänta på betydande tekniska framsteg. Det centrala syftet med konceptet är också att avstå från frågan om hastighet och drivmassa för att säkerställa att en besättning av människor så småningom kan kolonisera ett annat stjärnsystem.
Som vi utforskade i en tidigare artikel skulle ett generationsfartyg också uppfylla två huvudmål för rymdutforskning, som är att upprätthålla en mänsklig koloni i rymden och tillåta resor till en potentiellt beboelig exoplanet. Dessutom skulle en besättning som numrerar i hundratals eller tusentals multiplicera chansen att lyckas kolonisera en annan planet.
Till sist, men inte minst, skulle en generationsfartygs rymliga miljö möjliggöra flera metoder. Exempelvis skulle en del av besättningen kunna hållas under vakna förhållanden under resans varaktighet medan en annan del kan förvaras i kryogen suspension. Människor kan också återupplivas och återgå till upphängning i skift, vilket minimerar de psykologiska effekterna av den långa resan.
Tyvärr är det där fördelarna slutar och problemen / utmaningarna börjar.
Nackdelar
Den mest uppenbara nackdelen med ett generationsfartyg är de stora kostnaderna för att bygga och underhålla så stora rymdskepp, vilket skulle vara oöverkomligt. Det finns också farorna med att skicka mänskliga besättningar ut i djupa utrymmen under så långa tidsperioder. På en resa som skulle ta århundraden eller årtusenden, finns det den distinkta möjligheten att besättningen kommer att ge efter för känslor av isolering och tristess och vända på varandra.
Sedan finns det de fysiologiska frågorna som en resa med flera generationer genom rymden kan innebära. Det är välkänt att strålningsmiljön i djupa rymden är betydligt annorlunda än miljön på jorden eller i låg jordbana (LEO). Även med strålskärmning kan långvarig exponering för kosmiska strålar påverka besättningens hälsa allvarligt.
Medan kryogen suspension kan hjälpa till att mildra vissa av dessa problem, är de långvariga effekterna av kryogenik på människans fysiologi ännu inte kända. Detta innebär att omfattande tester skulle behövas innan ett sådant uppdrag någonsin skulle kunna försökas. Detta ökar bara de övergripande moraliska och etiska överväganden som detta begrepp innebär.
Till sist finns möjligheten att efterföljande tekniska framsteg kommer att leda till utveckling av snabbare och mer avancerade rymdskepp under tiden. Dessa fartyg, som lämnar jorden efter mycket senare, kunde ha kunnat ta sig av generationsfartyget innan det någonsin nådde sin destination - vilket gör hela resan meningslös.
Slutsatser
Med tanke på de stora kostnaderna för att bygga ett generationsfartyg, riskerna för att göra en så lång resa, antalet okända involverade och möjligheten att det skulle göras meningslöst av teknikens framsteg måste man ställa frågan: är det värt den? Tyvärr, som så många frågor som rör flergenerations rymdresor, finns det inget tydligt svar.
I slutändan, om resurserna är tillgängliga och viljan att göra det är där, kan människor mycket väl försöka ett sådant uppdrag så småningom. Det kommer inte att finnas någon garanti för framgång och även om besättningen framgångsrikt tar sig till ett annat stjärnsystem och koloniserar en avlägsen planet kommer det att vara årtusenden innan någon på jorden hör av sina ättlingar.
Under omständigheterna verkar det förnuftigare att bara vänta på ytterligare tekniska framsteg och försöka gå interstellar senare. Men inte alla kanske inte är så villiga att vänta, och historien tenderar att komma ihåg dem som trotsar oddsen och tar risker. Och som ventures som Mars One har visat oss, finns det ingen brist på människor som är villiga att riskera sina liv för att kolonisera en avlägsen värld!
Vi har skrivit många artiklar om ämnet Generation Ships här på Space Magazine. Här är vad som är det minsta antalet människor du ska skicka i ett generationsfartyg till Proxima Centauri? och hur stort skulle ett generationsfartyg behöva vara för att hålla en besättning på 500 levande för resan till en annan stjärna ?, Det mest effektiva sättet att utforska hela mjölkvägen, stjärna efter stjärna, och för- och nackdelar med olika metoder för mellanstjärniga resor .
källor:
- Wikipedia - Generationsfartyg
- Wikipedia - Interstellar Ark
- Strange Paths - Interstellar Ark
- SFF - Teman: Generationsfartyg
- Mashable - Den interstellära drömmen dör
- Centauri Dreams - Worldships: En intervju med Greg Matloff
- Icarus Interstellar - Project Hyperion: The Hollow Asteroid Starship - Dissemination of an Idea
- Arv: en Monte Carlo-kod för att utvärdera livskraften hos interstellar resor med hjälp av en flergenererande besättning, Marin, Frederic. JBIS, vol. 70, nr. 5-6, 2017
- Beräknar den minimala besättningen för en flergenerations rymdresa mot Proxima Centauri b, Marin, F., Beluffi, C. 71, nr. 2, 2018
- Numeriska begränsningar för storleken på produktionsfartyg från totala energiförbrukningen ombord, årlig livsmedelsproduktion och rymdteknik, Marin (et al.). 10, 2018
