«La planète est le berceau de l'esprit, mais on ne peut pas vivre éternellement dans le berceau», écrivait Konstantin Tsiolkovsky au début du XXe siècle. Aujourd'hui, les scientifiques parlent de plus en plus du fait que, tôt ou tard, les gens devront quitter la Terre et partir à la recherche d'une nouvelle maison.
Ne dors pas
Dans les livres et les films de science-fiction, les équipages des navires interstellaires sont généralement plongés dans une animation suspendue pendant le vol. Pratique: un long chemin passe pour eux comme un instant. Cependant, si vous mesurez cette situation à la réalité, des incohérences surviennent immédiatement. Qu'arrivera-t-il au vaisseau spatial au cours des années de vol? Sera-t-il capable de se réparer et de se restaurer si nécessaire, les systèmes de sécurité pourront-ils prendre en compte tous les facteurs de risque et contourner les obstacles? Et si les technologies qui assurent l'animation suspendue des astronautes échouaient, comme dans le récent film "Passengers", dont les héros se sont réveillés 90 ans plus tôt que prévu? Combien de données scientifiques inestimables l'humanité ne recevra-t-elle jamais si nous abandonnons les expériences de vol au profit du sommeil?
Peut-être que ces questions ont amené les gens à réfléchir à la façon de surmonter l'espace illimité sans s'endormir. Vous pouvez appliquer la «méthode de rotation»: par exemple, chaque année, plusieurs astronautes se réveillent et prennent le contrôle de l'état de l'engin spatial. Un an plus tard, ils sont remplacés par les suivants. Mais que se passe-t-il si au moment où l'expédition est envoyée, l'humanité n'a pas trouvé le moyen de plonger en toute sécurité dans une longue animation suspendue au sommeil? Après tout, jusqu'à présent, ces expériences n'en sont qu'à un stade précoce.
Une image fixe du film Pandorum.
Le résultat de ces discussions a été les projets de «navires de générations». C'est un vaisseau pour le voyage interstellaire à une vitesse bien inférieure à la vitesse de la lumière. Un tel navire devrait voler pendant des milliers d'années. Pendant ce temps, les premiers colons vieilliront et mourront, leurs descendants prendront leur place. Ce scénario se répétera plusieurs fois avant que l'expédition n'arrive à destination.
L'une des conceptions de navires générationnelles les plus célèbres était basée sur l'Orion. Ce "exploser" (vaisseau à impulsion nucléaire) a été développé aux États-Unis au milieu du XXe siècle. Il était censé se déplacer en raison d'une série de charges nucléaires, activées à une courte distance derrière le navire. Une partie des produits de l'explosion a frappé la «queue» de l'engin spatial, où une plaque réfléchissante massive a absorbé l'énergie et, à l'aide d'un système d'amortisseurs, l'a transférée vers l'engin spatial. L'ampleur du projet Energy Limited Orion Starship est incroyable: le diamètre du navire était de 20 kilomètres. Selon les calculs des développeurs, ce navire pourrait atteindre le système stellaire le plus proche Alpha Centauri en 1330 ans. Les dimensions du navire étaient tout à fait suffisantes pour accueillir un véritable navire de générations - en fait, une petite ville spatiale. Cependant, la NASA a misé sur des projets moins chers et Orion est resté une théorie.
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Cependant, si les choses s'étaient déroulées différemment, aurions-nous pu envoyer les premiers colons dans l'espace aujourd'hui? Malheureusement non. Le concept de vaisseau spatial générationnel résout nombre des problèmes théoriques des longs voyages dans l'espace - et crée un certain nombre de nouveaux problèmes. Nous découvrirons les difficultés auxquelles les navires des générations peuvent faire face et ce dont vous devez tenir compte lorsque vous vous rendez dans des étoiles lointaines.
Vaisseau Orion à énergie limitée.
Où volons-nous?
Les partisans de la colonisation de l'espace sont divisés en deux groupes: quelqu'un crée des projets pour terraformer Mars, et quelqu'un est sûr que la découverte d'une nouvelle Terre ne peut être trouvée que dans d'autres étoiles. Les chercheurs sur les exoplanètes confirment qu'il est possible de trouver un corps spatial adapté à la vie en dehors du système solaire, bien que ce ne soit pas facile.
Pour une réinstallation réussie, il est important que la planète retrouvée ressemble à la Terre à bien des égards. Nous avons besoin d'une température acceptable pour la vie terrestre et de l'eau à l'état liquide. L'étoile autour de laquelle la planète tourne doit se comporter le plus "calmement" possible - des éruptions fréquentes et intenses provoquent de brusques sauts de température. Le flux de particules chargées d'une étoile peut endommager l'atmosphère de la planète et, au fil du temps, «souffler» la quasi-totalité de l'enveloppe de gaz. Peut-être que dans le système solaire, cela s'est produit avec Mercure.
La zone d'espace autour de l'étoile, dans laquelle les planètes peuvent avoir de l'eau liquide, est appelée zone habitable. C'est une sorte de zone "médiane" du système planétaire. Les planètes qui s'y trouvent ne sont pas trop loin de l'étoile, elles reçoivent suffisamment d'énergie pour que l'eau ne gèle pas. Mais en même temps, ils ne doivent pas être trop proches de l'étoile - l'eau peut s'évaporer. Dans la littérature anglophone, ce site s'appelle la "Goldilocks Zone" en l'honneur du conte d'une jeune fille tombée dans une maison avec trois ours. Alors que les animaux ne sont pas à la maison, elle décide de dormir un peu et se couche alternativement sur trois lits: l'un est trop dur, l'autre est trop mou et le troisième est parfait.
Il semblerait que nous aussi, nous puissions simplement «trier» toutes les planètes d'un certain système et choisir celle qui convient. Hélas, toutes les planètes de la zone habitable ne nous conviennent pas: de l'eau liquide est possible sur elles, mais toutes les autres conditions à la surface d'une telle planète peuvent être insupportables pour les terriens.
À l'été 2016, des astrophysiciens de l'Observatoire européen austral ont annoncé la découverte de l'exoplanète la plus proche de la Terre. Il tourne autour de Proxima Centauri, l'étoile la plus proche du système solaire, et s'appelle maintenant Proxima Centauri b. Selon les scientifiques, il est situé dans la zone habitable de son étoile et pourrait bien contenir de l'eau liquide. Aucun des modèles climatiques connus ne contredit cela. Mais il est trop tôt pour appeler Proxima Centauri b notre nouvelle maison. Il est beaucoup plus proche de son étoile que la Terre ne l'est du Soleil, et les effets causés par cette proximité peuvent être imprévisibles.
Exoplanètes potentiellement habitables. Les planètes TRAPPIST-1 ne sont pas encore répertoriées.
Une nouvelle découverte du début de 2017 - sept exoplanètes près de la naine rouge froide TRAPPIST-1 dans la constellation du Verseau. Toutes les planètes sont de taille similaire à la Terre. En théorie, il peut y avoir de l'eau liquide sur les sept planètes, mais elle se trouve très probablement sur les planètes TRAPPIST-1e, f et g. Les astrophysiciens pensent que de nouveaux télescopes - tels que le télescope européen extrêmement grand, qui a commencé à construire au Chili en 2014 - seront en mesure de montrer avec certitude si ces planètes ont de l'eau.
L'essentiel est que même l'exoplanète la plus proche de la Terre soit toujours à une grande distance de nous. Il est à 4,24 années-lumière - pour parcourir ce chemin, les engins spatiaux existants, même sans tenir compte du temps d'accélération et de décélération, prendront des dizaines de milliers d'années. Par comparaison, les planètes autour de TRAPPIST-1 sont à environ 40 années-lumière. La technologie progresse, mais les distances dans l'espace semblent toujours infinies. Cela nous fait réfléchir encore et encore à des projets tels que le bateau des générations.
Voici à quoi pourrait ressembler la surface de la planète TRAPPIST-1f (illustration de la NASA).
Les moteurs du futur
Mais peut-être existe-t-il encore un moyen de parcourir ces distances plus rapidement? Les capacités des engins spatiaux existants ne sont manifestement pas suffisantes, mais de nouveaux développements sont en cours. L'un des projets les plus impressionnants est la voile solaire (photonique). Il utilise la pression de la lumière sur une surface en miroir. Dans le système solaire, une voile peut être alimentée par la lumière du soleil, et cette technologie existe déjà. En 2010, le vaisseau spatial japonais IKAROS (Interplanetary Kite-craft Accelerated by Radiation Of the Sun) s'est rendu dans l'espace. Il est équipé d'une voile carrée d'un côté de 14 mètres, composée de quatre pétales. Des panneaux solaires y sont attachés. La tâche d'IKAROS était d'ouvrir avec succès la voile solaire et de se déplacer avec son aide, et l'appareil japonais y a fait face au maximum. Cependant, la pression solaire est relativement faible,par conséquent, nous devrons utiliser d'autres sources pour aller au-delà de notre système. Il existe des projets d'overclocking d'un tel appareil à l'aide d'un laser. La voile solaire présente des avantages indéniables: elle ne nécessite pas de carburant et peut être relativement légère à elle seule. Cependant, l'humanité n'a pas assez de ressources pour lancer un voilier interstellaire. Des systèmes laser de haute précision très puissants ou une solution fondamentalement nouvelle à ce problème seront nécessaires. Des systèmes laser de haute précision très puissants ou une solution fondamentalement nouvelle à ce problème seront nécessaires. Des systèmes laser de haute précision très puissants ou une solution fondamentalement nouvelle à ce problème seront nécessaires.
Un autre moteur prometteur qui existe déjà est le moteur ionique. Son fluide de travail est un gaz inerte ionisé (argon, xénon) ou du mercure. La substance ionisée est accélérée dans un champ électrostatique à des vitesses très élevées. Le système d'extraction des ions positifs les "tire" hors de la substance et les jette dans l'espace, fournissant un mouvement. Des moteurs ioniques ont été utilisés dans le Hayabusa (en 2010, a livré des échantillons de sol de l'astéroïde Itokawa à la Terre) et Dawn (lancé en 2007 pour étudier Vesta et Ceres).
Un tel moteur atteint une impulsion spécifique élevée et une faible consommation de carburant. L'inconvénient des moteurs ioniques modernes est la poussée extrêmement faible, de sorte qu'un tel navire ne pourra pas se lancer depuis la Terre, il devra être construit en dehors de la planète.
Appareil Dawn (infographie).
Un autre concept intéressant est le statoréacteur interstellaire Bassard. Un navire équipé d'un tel moteur capte le matériau du milieu interstellaire (y compris l'hydrogène) à l'aide d'un "entonnoir" d'un puissant champ électromagnétique. Le diamètre de l'entonnoir doit être de milliers, voire de dizaines de milliers de kilomètres. L'hydrogène collecté est utilisé dans le moteur de fusée thermonucléaire du navire. Cela garantit l'autonomie en carburant du navire.
Hélas, ce moteur présente également de nombreuses limitations techniques. Sa vitesse n'est pas si élevée, car lors de la capture de chaque atome d'hydrogène, le navire perd un certain élan, ce qui ne peut être compensé par une poussée qu'à une vitesse relativement faible. Pour surmonter cette limitation, il est nécessaire de trouver des moyens de tirer le meilleur parti possible des atomes piégés.
Voici à quoi pourrait ressembler un navire propulsé par un moteur Bassard (illustration de Joe Bergeron).
Société à bord
Combien de personnes peuvent participer à une expédition interstellaire? Les évaluations des experts diffèrent considérablement. Ceci en dépit du fait que la plupart d'entre eux sont optimistes quant à la durée du vol en centaines, et non en milliers d'années. En 2002, l'anthropologue John Moore de l'Université de Floride a suggéré qu'une population d'environ 160 habitants dans un petit village serait suffisante pour créer une population stable pour un vol de 200 ans. Dans le même temps, une "ingénierie sociale" cruelle, comme dans les dystopies, ne sera pas nécessaire, la famille qui nous est familière deviendra la base de la colonie spatiale. Chacun aura environ une douzaine de partenaires de mariage appropriés. Même aujourd'hui - avec un choix apparemment sans fin - la plupart des gens ne dépassent pas ce nombre de partenaires en termes de relations à long terme.
Cependant, dans des populations aussi petites, il existe un risque de réduction de la diversité génétique. Il peut diminuer à la fois progressivement et de manière inattendue - par exemple, en cas d'infection dangereuse, l'expédition rencontrera un «effet de goulot d'étranglement», dans lequel la population diminue fortement puis se rétablit progressivement. Le pool génétique s'appauvrit, et cela se reflète dans les descendants de ceux qui ont survécu à la catastrophe. Dans le règne animal, cet effet a influencé la diversité génétique des guépards - on pense qu'à un moment donné, seuls quelques individus ont pu survivre. L'espèce était au bord de l'extinction, maintenant seuls 7 000 guépards vivent à l'état sauvage dans le monde. En raison du long métissage étroitement lié, ils ne diffèrent pas en termes de résistance aux maladies et, à l'état sauvage, la plupart des petits ne vivent pas jusqu'à un an.
Une autre menace pour les colons est l'effet fondateur. Cela se produit lorsqu'un petit nombre de représentants d'une espèce particulière habitent un nouveau territoire. Ils ne préservent pas la totalité du patrimoine génétique de la population d'origine, par conséquent, ils peuvent également être confrontés au problème d'une réduction progressive de la diversité génétique.
L'anthropologue Cameron Smith de la Portland State University a calculé en 2013 que des dizaines de milliers de personnes sont nécessaires pour faire face à ces menaces sur 150 ans de fuite. Selon lui, une population stable a besoin d'environ 40 000 personnes, dont au moins 23 500 sont en âge de procréer. Cependant, la colonie peut être plus petite si elle dispose d'une banque d'embryons suffisamment grande.
Une image fixe du film Pandorum.
Espace au sous-sol, espace dans le désert
Bien entendu, toutes ces questions importantes ne resteront que théoriques pendant longtemps. Les technologies d'aujourd'hui ne sont pas en mesure d'envoyer une personne vers les étoiles voisines, et cela sera au-delà de notre pouvoir pendant longtemps. Mais des recherches, à l'avenir, capables de rapprocher le futur de l'espace, y compris des navires de générations, se poursuivent depuis plusieurs décennies.
L'un des types les plus connus de telles expériences est la création d'écosystèmes fermés. Les passagers du navire des générations y vivront pendant des milliers d'années, la colonie doit donc être complètement autonome: il n'y a nulle part où attendre de l'aide. Cette expérience sera utile dans le développement d'une nouvelle planète. Les projets de création de systèmes fermés ont commencé dans les années 1970, peu après l'atterrissage de l'homme sur la lune.
En URSS en 1968-1972 a été construit "BIOS-3". Les scientifiques de l'Academgorodok de Krasnoïarsk ont créé une pièce scellée d'une taille de 14 × 9 × 2,5 m et d'un volume d'environ 315 m³ dans le sous-sol de l'Institut de biophysique, composé de quatre compartiments. Les "cabines de l'équipage" et l'équipement n'occupaient qu'un seul d'entre eux, dans le reste il y avait des caméras-phytotrons pour la culture de plantes et les cultivateurs de microalgues. Des variétés spéciales ont été utilisées: par exemple, du blé nain spécialement sélectionné avec une tige raccourcie. 10 expériences ont été réalisées dans BIOS-3, la plus longue a duré 180 jours. Les participants ont réussi à créer un système complètement fermé de consommation de gaz et d'eau. Ils se sont approvisionnés à 80% en nourriture.
Au début des années 1990, l'expérience peut-être la plus célèbre de création d'un système fermé, "Biosphère-2", a eu lieu. Un complexe de plusieurs bâtiments et serres sur une superficie d'environ 1,5 hectare a été érigé en Arizona. Plusieurs espaces naturels ont été modélisés à l'intérieur: fourrés tropicaux, savane, mangroves et même l'océan. Environ 3000 espèces de plantes et d'animaux vivaient dans "Biosphère-2". L'équipe du projet était composée de huit personnes - à égalité des hommes et des femmes. Ils ont soutenu le travail de la technologie de circulation de l'eau et de l'air, se sont engagés dans l'agriculture de subsistance et ont mené diverses expériences.
Biosphère complexe-2.
La première étape de l'expérience a duré deux ans. Pendant un an, les «colons» ont pu établir une production alimentaire: dans les premiers mois, les gens avaient constamment faim. Plus tard, ils se sont adaptés au nouveau régime alimentaire et de nombreux indicateurs de santé des participants se sont améliorés grâce à l'expérience, par exemple une baisse de la tension artérielle. Le plus gros problème était la baisse des niveaux d'oxygène. Jane Poynter, participante au projet, se souvient: «Lorsque vous perdez beaucoup d'oxygène - et que notre niveau a considérablement baissé, il est passé de 21% à 14,2% - vous vous sentez mal. Vous vous réveillez à bout de souffle parce que la composition de votre sang change. Dans un rêve, vous arrêtez de respirer, puis finalement vous inspirez et vous vous réveillez. C'est terriblement ennuyeux. Et à l'extérieur, tout le monde était convaincu que nous allions mourir."
On pense que le niveau d'oxygène a commencé à baisser, car les micro-organismes de "Biosphère-2" se sont multipliés plus activement que prévu. La même chose s'est produite avec les insectes. Il était interdit de les détruire à l'aide de pesticides: cela pourrait perturber l'équilibre de la biosphère artificielle. En conséquence, les organisateurs du projet ont dû falsifier les données: l'oxygène manquant a été pompé dans le système. Lorsque cela est devenu connu, les critiques sont tombées sur les participants à l'expérience. Mais le niveau d'oxygène a continué à baisser, même avec des approvisionnements en gaz de l'extérieur, et exactement deux ans après le début, la première phase du projet a été interrompue. Dans l'ensemble, l'expérience a été jugée infructueuse. Mais ne minimisez pas la signification de telles expériences. Premièrement, ils montrent de nombreux pièges dans les calculs et aident à créer des modèles plus réalistes. Deuxièmement, ces projets ressemblent à:La colonisation de l'espace nécessite plus que des moteurs puissants. Pour atteindre un jour d'autres planètes, l'humanité aura besoin d'une grande variété de connaissances et de compétences.
Les participants à l'expérience BIOS-3 avec la récolte de blé récoltée.
Une émeute sur un bateau?
De nombreuses difficultés attendent les participants des expéditions millénaires. Certains des problèmes sont liés à l'environnement: par exemple, les effets destructeurs du rayonnement spatial. Il peut contribuer au développement du cancer, aux lésions de la moelle osseuse et aux troubles du système immunitaire. Par conséquent, en allant dans l'espace, vous devez vous protéger correctement. Des systèmes de prévision du rayonnement qui tiennent compte de nombreux paramètres seront nécessaires. La tâche principale est de déterminer le degré de préjudice à la santé et de maintenir constamment un équilibre. Les colons devront inévitablement prendre des risques et les concepteurs de navires devront trouver un moyen d'installer des éléments de protection sur le navire sans sacrifier la charge utile.
Curieusement, les difficultés morales et éthiques ne sont pas moins dangereuses. Les gens qui sont sincèrement dévoués à leur travail, qui croient en la nécessité de conquérir d'autres planètes, iront dans l'espace. Mais leurs descendants pourront-ils conserver cette foi et le voudront-ils? Et si les représentants des générations «intermédiaires» se sentaient un jour piégés dans une prison spatiale high-tech? L'éthique doit trouver une réponse à ces questions, sinon les problèmes ne peuvent être évités.
Une image fixe du film Pandorum.
Les conséquences sont imprévisibles: du pessimisme et de l'apathie des équipages aux conflits ouverts. Dans l'espace confiné du navire, l'incompréhension des pères et des enfants ou les disputes idéologiques deviendront catastrophiques. Ceci est confirmé par l'histoire de la même "Biosphère-2". Lorsqu'il est devenu clair que les niveaux d'oxygène diminuaient inexorablement, les expérimentateurs se sont séparés en deux groupes. Certains voulaient quitter immédiatement la "Biosphère", d'autres - par tous les moyens mener le projet à son terme. On dit que le conflit a éclaté à un point tel que bon nombre des anciens participants à l'expérience ne se parlent toujours pas. Mais ils n'ont passé que deux ans dans un système fermé!
Ainsi, alors que l'humanité ne fait que commencer le chemin vers les étoiles. Beaucoup plus de recherches seront nécessaires pour créer des conceptions viables pour une colonie spatiale autonome et un engin interstellaire fiable.
Natalia Pelezneva
