استوانه اونیل؛ ابرسازه‌‌ای فضایی برای اسکان تمدن بشر

MacTavish · 28/8/19

در این نوشتار به بررسی ابعاد فنی یکی از مطرح‌‌ترین ایده‌‌های موجود در طراحی سکونتگاه‌‌های عظیم بشری در فضا یعنی استوانه‌‌ی اونیل خواهیم پرداخت.

استوانه‌‌ی اونیل (یا کلونی اونیل) یک طرح مفهومی برای سکونتگاهی فضایی است که اولین‌بار از سوی فیزیکدانی آمریکایی با نام جرالد کی.اونیل مطرح شد. او در کتابی با نام «مرز بالایی: کلونی بشری در فضا» که در سال ۱۹۷۶ میلادی منتشر شد، از ایده‌‌ی هیجان‌‌انگیز خود برای کلونی‌‌سازی در فضا پرده برداشت. او آینده‌‌ای را به تصویر کشید که در آن بشر می‌‌تواند در قرن بیست‌‌ویکم و با استفاده ازمواد اولیه‌ی استخراج‌‌شده از ماه و سیارک‌‌های سرگردان، شروع به ساخت انواعی از سکونتگاه‌‌های عظیم و معلق در دل فضا کند.

اما اساسا چرا اونیل می‌‌بایست به ایده‌ی ساخت چنین سکونتگاه‌‌هایی در فضا بیندیشد؟

جرارد اونیل

شاید بتوان گفت خاستگاه اصلی این ایده، ترس از آینده‌‌ی تاریکی بوده است که شاید این فیزیکدان و بسیاری از آینده‌‌پژوهان معاصر برای سیاره‌‌ی زمین متصور بوده‌‌اند. تهدیدهایی مانند افزایش جمعیت و کمبود منابع غذایی، جنگ‌‌های آخرالزمان، اقدامات مداخله‌‌جویانه‌‌ی بشر در طبیعت و حتی برخی خطرات طبیعی نظیر برخورد سیارک‌‌های عظیم یا بلعیده‌‌شدن زمین توسط خورشید همگی از جمله عواملی بوده‌‌اند که در طول زمان، موضوع مهاجرت نسل بشر را به فضا به‌عنوان ایده‌‌ای کاملا جدی مطرح کرده‌اند. دراین‌میان، برخی نظریه‌‌پردازان راه‌‌حل را در کلونی‌‌سازی سیاراتی دیگر مانند مریخ درنظرگرفته‌‌اند و برخی مانند اونیل (و اخیرا جف بزوس) از ایده‌‌ی ساخت سکونتگاه‌‌های مصنوعی معلق در فضا حمایت کرده‌‌اند.

تاریخچه‌‌ی ایده
می‌‌توان گفت اولین‌‌بار، ایده‌‌ی ساخت چنین سکونتگاهی از سوی دانشمندی آلمانی با نام هرمن اوبرث مطرح شد. اوبرث در کتابی با نام «مردم در فضا؛ پروژه‌‌های جدید موشک‌‌ها و سفر فضایی» در سال ۱۹۵۴، نوعی سکونتگاه استوانه‌‌ای عظیم را توصیف کرد که از آن برای انجام سفرهای فضایی استفاده می‌‌شده است.

دو دهه‌‌ بعد از این ماجرا، درحالی‌که اونیل مشغول تدریس فیزیک به دانشجویان مقطع کارشناسی در دانشگاه پرینستون بود، تکلیفی برای شاگردانش تعیین کرد و از آن‌‌ها خواست ایده‌‌های خود را درمورد نحوه‌‌ی طراحی ابرسازه‌‌هایی باقابلیت سکونت در فضا مطرح کنند. در میان این طرح‌‌ها، چند ایده به‌‌ چشم او خورد که از لحاظ ابعاد برای سکونت جوامع انسانی مناسب به‌‌نظر می‌‌رسیدند. درنتیجه‌‌ی این همفکری، اونیل بالاخره توانست به ایده‌‌ی ساخت ابرسازه‌‌ی استوانه‌‌ای‌شکل خود دست یابد و آن را در سپتامبر سال ۱۹۷۴ طی مقاله‌‌ای در مجله‌‌ی فیزیکز تودی به چاپ برساند.

در آن زمان، اونیل درحقیقت سه طرح اصلی برای سازه‌‌ی پیشنهادی خود مطرح کرد که هریک از آن‌‌ها با نام «جزیره» شناخته می‌‌شدند. جزیره‌‌ی یک، یک کره‌‌ی دوار با قطر ۵۱۲ متر بود که بنابر عقیده‌‌ی اونیل، مردم می‌‌توانستند روی خط استوای این کره سکونت داشته باشند. جزیره‌‌ی دو نیز ساختاری کروی با قطر ۱/۶ کیلومتر بود و نهایتا جزیره‌‌ی سه که با نام استوانه‌‌ی اونیل (مهم‌‌ترین ایده‌‌ی طراحی او) شناخته می‌‌شود، متشکل از دو استوانه‌‌ی مجزا با قطر ۸ کیلومتر و طول ۳۲ کیلومتر بود.

اصول طراحی
ساختار پیشنهادی اونیل متشکل از دو استوانه‌‌ی عظیم است که هر یک، قطری به‌‌اندازه‌‌ی ۸ کیلومتر و درازایی برابر با ۳۲ کیلومتر دارند. طراحی این ابرسازه به‌‌گونه‌‌ای است که هر دو استوانه تنها از یک سمت با کمک سیستم بلبرینگی مهار شده‌‌اند و از سمت دیگر کاملا آزاد هستند. برای ایجاد گرانش مصنوعی در فضای داخلی، نیاز است که استوانه‌‌ها حول محور طولی خود با سرعت مشخصی بچرخند؛ با این چرخش دائمی، می‌‌توان شرایطی مشابه با گرانش زمین را در سکونتگاه داخلی فراهم کرد. همچنین این دو استوانه‌‌ی غول‌‌پیکر باید در خلاف جهت یکدیگر بچرخند تا بتوان اثر ژیروسکوپی ناشی از چرخش هریک از استوانه‌‌ها را خنثی کرد؛ این سازوکار برای ثابت نگاه‌‌داشتن جهت‌‌گیری کل سازه رو به خورشید ضروری است.

نمایی کامل از استوانه‌های اونیل

هر یک از این دو استوانه، از ۶ نوار هم‌‌اندازه تشکیل شده‌ است که در طول کل استوانه‌‌ها کشیده شده‌‌اند. از این تعداد، سه نوار درواقع پنجره‌‌های شفاف سقف سازه هستند و سه نوار دیگر، سطوح سکونت‌پذیر یا همان کف سازه را تشکیل خواهند داد. علاوه‌‌بر این، طرح اونیل شامل یک «حلقه‌‌ی کشاورزی» در فضای بیرونی نیز می‌‌شود که حدود ۳۲ کیلومتر قطر دارد و با سرعتی متفاوت از استوانه‌‌های اصلی می‌‌چرخد تا شرایط لازم را برای کشت‌‌ گیاهان فراهم کند. همچنین «ناحیه‌‌ی صنعتی» نیز در مرکز این سازه قرار خواهد گرفت که با دارا بودن سرعت خطی کمتر و درنتیجه‌‌ گرانش ضعیف‌‌تر، فضای کار را برای انجام پاره‌‌ای از فعالیت‌‌های سنگین صنعتی فراهم خواهد کرد.

تأمین مصالح
اونیل پیشنهاد کرد که برای صرفه‌‌جویی از هزینه‌‌های سرسام‌‌آور پرتاب راکت از سطح زمین، مصالح لازم برای ساخت تمامی این سازه‌‌ها از سطح ماه و سیارک‌‌ها استخراج شود و با کمک یک «پرتابگر جرم» به فضا پرتاب شوند. این پرتابگر نوعی وسیله برای ایجاد شتاب در پرتابه و شلیک آن به‌‌کمک نیروی الکترومغناطیسی در سرعت‌‌های بالا است که استفاده از آن در فضا می‌‌تواند جایگزین خوبی برای سامانه‌‌های موشکی رایج در زمین باشد.

پرتابگر جرم؛ تجهیز جایگزین راکت برای پرتاب تجهیزات و مصالح موردنیاز سکونتگاه‌های فضایی

نحوه‌‌ی ایجاد گرانش
از مهم‌ترین چالش‌‌های پیش‌‌رو در طراحی چنین سکونتگاه‌‌هایی، نحوه‌‌ی ایجاد گرانش مصنوعی مناسب است. باتوجه به معادله‌‌ی شتاب به‌‌صورت a=v²/r و تعیین مقادیر a و r به‌‌ترتیب برابر با ۹/۸۱ m/s2 و ۴ km، اونیل در طراحی خود پیشنهاد می‌‌کند که استوانه‌‌ها باید با سرعتی حدود ۲۸ دور در ساعت حول محور خود بچرخند تا ساکنین بتوانند در اثر نیروی گریز از مرکز ناشی از این چرخش، وضعیتی مشابه با گرانش در سطح زمین را تجربه کنند. چنین گردشی، سرعت زاویه‌‌ای ۲.۸ درجه در هر ثانیه ایجاد خواهد کرد.

کارشناسان بر این باورند که این میزان سرعت زاویه‌‌ای آن‌‌قدر زیاد نیست که ساکنین را دچار احساسات ناخوشایندی مانند علائم «بیماری حرکت» کند. بااین‌حال، افراد در چنین وضعیتی، هنگام چرخاندن سر خود در جهت چرخش سازه یا خلاف آن متوجه تفاوت‌‌هایی با شرایط زمین خواهند شد.

برای ایجاد گرانش مصنوعی در سکونتگاه‌ها به گردش استوانه‌های اونیل با سرعتی حدود ۲۸ دور در ساعت نیاز خواهیم داشت

کنترل شرایط آب‌‌و‌‌هوایی
اتمسفر فضای داخلی استوانه‌‌ها مخلوطی از گازهای اکسیژن و نیتروژن با فشاری معادل با ۵۰ درصد فشار هوا در سطح دریا خواهد بود که البته میزان آن، مشکل چندانی برای تنفس ساکنین ایجاد نخواهد کرد. مزیت این فشار تقلیل‌‌یافته آن است که به‌‌خوبی توسط جداره‌‌های بیرونی استوانه قابل‌‌تحمل است. ضمن اینکه تراکم اتسمفر درونی درکنار وجود جداره‌‌ی شفاف سازه، مانع از رسیدن تشعشعات مضر کیهانی به اکوسیستم خواهد شد.

فشار هوا در سطح سکونتگاه اونیل نصف فشار هوا در سطح دریا است
درکنار تمامی این موارد، دانشمندان بر این باور هستند که حجم فضای داخلی استوانه‌‌ی اونیل اجازه ایجاد سیستم آب‌‌وهوایی اختصاصی را در سکونتگاه خواهد داد. اگر هنوز زندگی در چنین فضایی برایتان جذابیتی ندارد، باید بدانید که یکی از مهم‌ترین ویژگی‌‌های چنین سکونتگاه‌‌هایی، فراهم‌‌بودن امکان مهندسی آب‌‌وهوا است؛ دانشمندان می‌‌گویند با تغییر ترکیب اتمسفر درونی یا تنظیم میزان نور دریافتی به‌‌راحتی می‌‌توان شرایط جوی مختلفی را در سکونتگاه شبیه‌‌سازی کرد.

شبیه‌‌سازی شبانه‌‌روز
چنانچه چنین سازه‌‌ای به‌‌صورت دائم روبه خورشید قرار دهیم، دیری نخواهد پایید که درون آن درست مانند یک کوره داغ خواهد شد. برای پیشگیری از این مشکل، اونیل پیشنهاد می‌‌کند که آینه‌‌های بزرگی را به‌‌صورت لولایی پشت هریک از پنجره‌‌های عظیم سقف سازه نصب کنیم. بدین ترتیب برای شبیه‌‌سازی شب در سکونتگاه، آینه‌‌ها در حالتی عمودی قرار می‌‌گیرند و فضای بالای سر ساکنین، تنها نمایی از فضای تاریک و بی‌‌کران خواهد بود. برای القای حس طلوع آفتاب و آغاز روز، آینه‌‌ها تغییر زاویه می‌‌دهند و با انعکاس تدریجی نور خورشید به درون سازه، شرایط حرکت آرام خورشید را در پهنه‌‌ی آسمان تداعی خواهند کرد.

اما نورگیر تعبیه‌‌شده در سقف سازه دارای ساختاری یکپارچه و شیشه‌‌ای نخواهند بود. این بخش متشکل از پنل‌‌های زیادی خواهد بود که با داشتن قاب آلومینیومی یا فولادی، فشار ناشی‌‌از جو درون سازه را به‌‌خوبی تحمل خواهد کرد. از لحاظ نظری این امکان وجود دارد که یکی از این پنل‌‌ها در اثر اصابت سیارک‌‌ها شکسته شود. چنین اتفاقی می‌‌تواند منجر به خروج مقادیری از گازهای اتمسفر شود؛ اما دانشمندان می‌گویند باتوجه به ابعاد بسیار بالای سکونتگاه، این موضوع چندان خطرساز نخواهد بود.

جهت‌‌گیری به‌سوی خورشید
بسیار مهم است که سکونتگاه فضایی (و آینه‌‌های مستقر روی آن) به‌صورت مؤثر رو به خورشید جهت‌‌دهی شود. این نکته برای تأمین نیاز روشنایی و انرژی موردنیاز ساکنین ضروری است. اونیل موفق شد روشی ابداع کند که طی آن می‌‌توان کل سازه را بدون کمک‌‌گرفتن از راکت، به‌‌صورت ۳۶۰ درجه‌‌ای چرخاند. او بنابر اصول ژیروسکوپی نشان داد که درصورت افزایش فاصله‌‌ی میان محور دو استوانه، کل مجموعه در یک جهت حرکت می‌‌کند و درصورت کاهش این فاصله، کل مجموعه در خلاف جهت حالت قبل حرکت خواهد کرد. از این سازوکار می‌‌توان برای تنظیم جهت‌‌گیری سیستم به‌‌سوی خورشید بهره برد.

طراحی‌های مشابه
چنبره‌ی استنفورد:
چنبره‌ی استنفورد (Stanford torus) یکی از دیگر طرح‌های سکونتگاه‌های فضایی بود که در سال ۱۹۷۵ از سوی دانشگاه استفورد براساس طرح ایستگاه فضایی چرخ دوار ارائه شد. این طراحی شامل یک ابرسازه‌ی ۱۰ میلیون تُنی است که ظرفیت اسکان ۱۰ الی ۱۴۰ هزار نفر را دارد. شکل ظاهری این سکونتگاه همان‌طور که از نام آن برمی‌آید، شبیه چنبره یا حلقه‌ی یک دونات با قطر تقریبی ۱/۸ کیلومتر است. این حلقه باسرعت چرخش یک دور در دقیقه خواهد توانست نیروی گریزازمرکز لازم برای ایجاد گرانشی با شدت 0/9g یا 1g را تولید کند.

چنبره استنفورد (Stanford torus)

تأمین نور در فضای داخلی این سکونتگاه توسط آرایه‌ای از آینه‌های ثابت انجام می‌شود. گفتنی است مطابق طراحی اصلی، چنبره‌ی اصلی به‌وسیله‌ی ۶ «پره»‌ی توخالی به هاب مرکزی متصل می‌شود که امکان تردد ساکنین را از سکونتگاه به مرکز نیز فراهم خواهد کرد. مشابه با طرح استوانه‌ی اونیل، هاب مرکزی چنبره‌ی استنفورد نیز دارای کمترین میزان گرانش است و ازاین‌رو فضایی مناسبی برای اتصال فضاپیماهای خارجی و انجام فعالیت‌های صنعتی سنگین خواهد بود.

فضای داخلی سکونتگاه چنبره‌ای با قطر ۱۳۰ متر است و ظاهری شبیه دره‌های نعل اسبی (U شکل) دارد که در افق با شیب ملایمی رو به بالا رفته است. تراکم جمعیت در آن‌ها کم و قابل‌مقایسه با بافت حومه‌ای شهرهای فعلی است و بخش‌های مجزایی برای انجام کشاورزی و ساخت‌وساز در آن درنظر گرفته شده است.

نمای داخلی از چنبره‌ی استنفورد

کره‌ی برنال، جزیره‌ی یک و جزیره‌ی دو:
کره‌ی برنال (Bernal sphere)، نوعی دیگر از سکونتگاه‌های فضایی است که اولین‌بار در سال ۱۹۲۹ ازسوی جان دسموند برنال پیشنهاد شد. ایده‌ی اصلی برنال برپایه‌ی یک پوسته‌ی کروی توخالی و غیر دوار بود که قطر آن به ۱۶ کیلومتر می‌رسید و ظرفیت اسکان ۲۰ الی ۳۰ هزار نفر را در خود داشت. کره‌ی برنال درواقع خاستگاه ایده‌ی اونیل برای پیشنهاد جزیره‌ی یک و دو نیز بود.

کره‌ی برنال (Bernal sphere)

اونیل بعدها با تکمیل ایده‌ی برنال، پیشنهاد کرد که قطر این کره تنها به ۵۰۰ متر محدود شود. او همچنین ایده‌ی کره‌ی ثابت برنال را اصلاح کرد و پیشنهاد چرخش این سکونتگاه کروی را با سرعت ۱/۹ دور در دقیقه مطرح کرد تا بتوان گرانشی مشابه با گرانش سطح زمین را در سکونتگاه تجربه کرد. بدین ترتیب طرح جزیره‌ی یک اونیل با ظرفیت اسکان تقریبی ۱۰ هزار نفر روی ناحیه‌ی قطری سکونتگاه شکل گرفت. بنابر طراحی اونیل، نور مورد نیاز داخل سکونتگاه نیز ازطریق آینه‌های خارجی به پنجره‌های بزرگ نصب‌شده در دو قطب این کره بازتاب خواهد شد.

کمی بعد از طراحی جزیره‌ی اول، اونیل پیشنهاد نسل دوم از این سکونتگاه را مطرح کرد. جزیره‌ی دو تنها نسخه‌ای بزرگتر از جزیره‌ی یک بود که قطر آن به ۱۸۰۰ متر می‌رسید و فضای بهینه‌تری را برای حمل‌ونقل و نیز انجام فعالیت‌های صنعتی فراهم می‌کرد.

چالش‌‌های اجرایی
با تمامی این تفاسیر، شاید مخاطرات طبیعی و غیرطبیعی اشاره‌‌شده در ابتدای مقاله در نظر بسیاری هنوز آن‌‌قدرها جدی نباشد که بخواهیم ریسک‌‌های فنی و اقتصادی اجرای چنین ایده‌‌ی متحورانه‌‌ای را به‌‌جان بخریم. ساخت و ارسال ماشین‌‌آلات ساخت‌‌وساز به فضا، بسـ*ـترسازی و شروع ساخت‌‌وساز فضایی، ایجاد زیستگاه، بازیافت منابع طبیعی و تربیت پیش‌گامان آغاز تمدن نوین هیچیک از آن دسته موضوعاتی نیست که چندان برای تهییج سیاستمداران و تصمیم‌‌گیرندگان جهان کافی باشد.

ایستگاه کوپر در فیلم سینمایی میان‌ستاره‌ای (۲۰۱۴) نمونه‌ای از یک استوانه‌ی اونیل

باید دید کدام‌یک از اید‌ه‌های کلونی‌سازی سیارات یا ساخت سکونتگاه‌هایی مصنوعی زودتر اجرایی خواهند شد
هرچند دراین‌میان منافع نسبتا کوتاه‌‌مدتی نیز وجود دارند که شاید هم‌‌اکنون بتوانند توجه کشورها را برای آغاز یک رقابت فضایی در این عرصه و نهایتا حرکت به‌‌سمت ایجاد یک تمدن جدید جلب کنند. زندگی در فضا می‌‌تواند راه را برای بهره‌‌برداری گسترده‌‌تر از منابع و معادن عناصر کمیاب موجود در سیارک‌‌ها و سایر سیارات هموار کند. ضمن اینکه به‌‌دلیل نبود اتمسفر و نیز حرکت وضعی زمین، جذب و تبدیل انرژی خورشیدی در فضا به‌‌صورت ۲۴ ساعته و بسیار بهینه‌‌تر از سطح زمین انجام خواهد شد. همین نقاط قوت کار در فضا باعث شده که ناسا و بسیاری دیگر از سازمان‌‌های فضایی کشورهای پیشرو به فکر بررسی روش‌‌های کشف و استخراج سوخت، آب و اکسیژن در ماه و سایر اجرام فضایی بیفتند؛ پروژه‌‌هایی که علاوه‌‌بر ایالات متحده هم‌‌اکنون باجدیت ازسوی اروپا، چین و ژاپن نیز دنبال می‌‌شوند.

حال به‌‌نظر می‌‌رسد پس از دهه‌‌ها، ثروتمندترین مرد جهان و بنیان‌‌گذار شرکت بلو ارجین نیز به استقبال از ایده‌‌ی کلونی اونیل رفته است. چندی پیش، جف بزوس درحالی‌که به ارائه‌‌ی جزئیات طرح استوانه‌‌های اونیل اشاره می‌‌کرد، به دفاع از ایده‌‌ی استوانه‌‌ی اونیل درمقابل ایده‌‌ی کلونی‌‌سازی سایر سیارات پرداخت. این بدان معنا است که ابرسازه‌های اونیل پس از ۴۰ سال بی‌توجهی، دوباره از تاریخ سربرآورده‌اند. حال که صحبت از حمایت بانفوذترین سرمایه‌داران دنیا است، پس شما هم آماده باشید؛ شاید قرار باشد برای ملاقات با نوه‌‌هایتان چمدان بزرگتری تدارک ببینید.