Корабль-колония: сколько нужно людей для полета к звездам?
В обозримом будущем разработка технологий, позволяющих преодолеть скорость света, не предвидится. Слишком сложной проблемой также оказался анабиоз – замедление жизнедеятельности человека, позволяющее «спать» десятки лет. По этим причинам первая экспедиция в другую звездную систему, скорее всего, отправится на досветовых кораблях-колониях, которые будут нести многочисленный экипаж. И лишь потомки людей, стартовавших с Земли, достигнут цели экспедиции – планеты за пределами Солнечной системы.
Предполагаемый облик межзвездного корабля, разрабатываемого энтузиастами в рамках проекта ICARUS
Разработка многих систем корабля-колонии все еще находится за пределами наших технических возможностей. Речь идет о силовой установке, замкнутом цикле жизнеобеспечения и обеспечении защиты экипажа от негативного воздействия невесомости и космической радиации. Тем не менее, в обозримом будущем уже видно решение множества технологических проблем, например, технология лазерной печати SLM позволяет изготавливать из металлического порошка детали любой сложности. Это во многом решает задачу сборки корабля в космосе и его обслуживания и ремонта в условиях многолетнего автономного полета.
Размеры корабля ICARUS в сравнении с небоскребами и современными космическими транспортными системами
Но пока наши ограниченные возможности делают межзвездный полет очень долгим делом. Возьмем для примера ближайшую звезду Проксиму Центавра, которая находится на расстоянии 4,3 световых года от Солнечной системы. Для полета к Проксиме Центавра на современных ионных двигателях понадобится боле 81 тыс. лет – это 2700 поколений людей. Полет с использованием гравитационной «пращи» планет-гигантов Юпитера и Сатурна лишь немногим короче – 76 тыс. лет или 2500 поколений. Быстрее всего можно долететь на ядерном импульсном двигателе, способном развить 5% скорости света. Полет на таком корабле к Проксиме Центавра займет «всего» 85 лет. Тем не менее, даже если удастся решить проблему запаса топлива для такого двигателя, то все равно понадобится смена поколения уже на борту корабля.
Численность экипажа корабля-колонии до сих пор вызывает споры. В 2002 году антрополог Джон Мур (John Moore) из Университета Флориды подсчитал, что для межзвездного корабля достаточно экипажа в 150 человек. Потомки этих людей будут в состоянии колонизировать другой мир, если будут осторожны и смогут избегать инбридинга (рождение детей от родителей, состоящих в родстве).
По расчетам Мура, 150-180 человек достаточно для путешествия длиной до 2000 лет - даже спустя 60-80 поколений все люди будут не ближе, чем в троюродном родстве. Теоретически, этот предел можно расширить, так как на борт можно взять генетический материал для искусственного оплодотворения. Группа в 150-180 человек подходит и с точки зрения психологии, ведь у человека будет достаточно большой выбор потенциальных друзей. Интересный факт: антропологи уже давно заметили, что 150-200 человек - это максимальное число членов племен охотников и собирателей доиндустриального общества.
Космический город
Антрополог Камерон Смит из Государственного университета Портленда давно интересуется темой космических полетов, и даже собрал в домашних условиях космический скафандр для проверки возможности осуществления космических проектов силами энтузиастов.
Внутри ICARUS будет похож на высокотехнологичный удобный для проживания город, рассчитанный на 10-12 тыс. человек
Камерон Смит полагает, что межзвездный корабль-колония должен нести не менее 10 000 человек, а еще лучше – 40 000. Расчеты показывают, что только такая численность способна обеспечить успех миссии в случае гибели большого процента экипажа.
Также Камерон Смит совместно с археологом Уильямом Гарднером-O'Керни создал компьютерную модель, имитирующую сообщество людей, совершающих межзвездные путешествия. Ученые «прогнали» через модель несколько различных сценариев и теперь могут объяснить, почему успех межзвездной миссии во многом зависит от исходного размера популяции.
Исследователи смоделировали полет протяженностью более 300 лет или 30 поколений. Для каждой численности экипажа рассчитали 10 вариантов полета. Это очень обширная работа, поэтому для экипажа в 40 тыс. человек провели только одно моделирование – оно заняло примерно 18 часов машинного времени.
График отражает сохранение генетического разнообразия для экипажей различной численности. По вертикали отмечен процент разнообразия генов, по горизонтали - годы полета
Генетическое разнообразие – основная причина необходимости отправки большого экипажа. Несмотря на теоретически большое количество пар в группе из 150 человек и возможности искусственного оплодотворения, такие экипажи слишком уязвимы к нештатным ситуациям. Хранение генетического материала в космических условиях на протяжении сотен лет сегодня выглядит невыполнимой задачей, хотя не исключено, что в будущем люди смогут с нуля «собирать» геном будущего ребенка в лаборатории.
Надо отметить, что даже создание инкубатора для рождения людей без вынашивания женщиной и сборка генома в пробирке не решают проблемы соотношения численности взрослых и детей на борту. Проще говоря, в гипотетическом сценарии возможна отправка 150 человек с неким «заводом» по выращиванию людей. Однако как справится сотня колонистов с несколькими тысячами детей на поверхности другой планеты? Созревание взрослого человека за считанные месяцы, скорее всего, является невыполнимой задачей, так как пока даже не видно путей, с помощью которых наш мозг может обучиться всему необходимому за такое короткое время. Из всего этого следует, необходимость запуска «завода» задолго до прибытия к конечной цели экспедиции. Причем придется наращивать количество детей постепенно, чтобы поддерживалось оптимальное количество взрослых. В итоге за многие десятки лет до прилета в другую звездную систему понадобится все тот же большой корабль-колония, что сводит на нет большинство преимуществ идеи 150 колонистов с «заводом» по клонированию.
Таким образом, генетика все еще диктует свои условия, требуя изначально большой экипаж. Например, в изолированных группах, таких как евреи-ашкенази и амиши, близкородственные браки сократили генетическое разнообразие и привели к распространению исключительно редких заболеваний, таких как болезнь Тея - Сакса и кистозный фиброз. Именно поэтому экипажа в 150 человек может быть недостаточно для поддержания генетического разнообразия на протяжении многих поколений. Инбридинг неизбежно приведет к потере более 80% от исходного разнообразия генов.
Даже 500 человек недостаточно для представления всего генетического разнообразия человеческой популяции в экипаже корабля. В то же время это очень важно, ведь генетическое разнообразие является своеобразной страховкой для колонистов: трудно предсказать, какие гены будут необходимы для адаптации к условиям другой планеты.
Камерон Смит и Уильям Гарднер-O'Керни подсчитали, что на 100% генетическое разнообразие сохранится при численности экипажа 40 тыс. человек, но и 10 тыс. достаточно для его сохранения на приемлемом уровне.
На графике показана прогнозируемая численность экипажа (вертикаль) в зависимости от продолжительности полета (горизонталь). График демонстрирует анализ полета большого экипажа с учетом катастроф
Еще одна угрозой для популяции межзвездных путешественников являются техногенные катастрофы и эпидемии, которые могут уничтожить значительную часть экипажа в любой момент. Как показывает моделирование, в большинстве случаев к концу 300-летнего путешествия экипаж уменьшится примерно наполовину. И хотя небольшие экипажи в 150-200 человек изначально выглядят наиболее оптимальными благодаря большей свободе для размножения, большие популяции более устойчивы. Так, парам из экипажей в 10-40 тыс. человек будет разрешено иметь только одного ребенка. Таким образом, количество взрослых дееспособных людей в таком обществе будет достаточно велико для сохранения 8-30 тыс. человек экипажа к концу миссии. В меньших экипажах супружеским парам нужно иметь 2-3 детей, чтобы поддержать численность экипажа, при этом моделирование показывает, что группы численностью менее 500 человек, скорее всего, полностью погибнут в случае серьезной катастрофы.
На этом графике видно, что небольшой экипаж в 150-200 человек может резко сократиться уже через примерно 60 лет после старта
Что касается технической стороны путешествия, то ученые считают оптимальным использование не одного корабля на 10-40 тыс. человек, а нескольких, например, 5 кораблей с экипажем в 2000 или 8000 человек. Распределение экипажа по независимым судам, летящим на расстоянии в несколько тысяч километров, резко снижает риск гибели всей экспедиции. Кроме того, корабли могут периодически стыковаться друг с другом или осуществлять транспортное сообщение с помощью челноков. Это создаст свободу перемещения и наполнит жизнь людей событиями, что очень важно для замкнутой группы, отрезанной от большого мира.
Из данного графика следует, что экспедиция, состоящая из 5 кораблей по 2000 человек (зеленая линия) имеет больше шансов на успех, чем 1х2000 человек (красная) или 1Х10 тыс. (фиолетовая)
Подобная структура описана в фантастическом сериале «Звёздный крейсер «Галактика», и это действительно подходящий вариант для межзвездных путешествий.