Κύλινδροι O'Neill: Πόλεις στο διάστημα με τεχνητή βαρύτητα

Τον Μάιο του 2019, ο Jeff Bezos ανέβηκε σε μια σκηνή στην Ουάσιγκτον και έδειξε καλλιτεχνικές απεικονίσεις γιγάντιων κυλίνδρων με ποτάμια, βουνά και πόλεις στο εσωτερικό τους. Δεν ήταν επιστημονική φαντασία. Ήταν μια ιδέα που γεννήθηκε το 1969 σε μια αίθουσα φυσικής στο Princeton. Οι Κύλινδροι O'Neill αποτελούν μία από τις πιο λεπτομερείς προτάσεις που έχει διατυπώσει η επιστημονική κοινότητα για το πώς θα μπορούσαν εκατομμύρια άνθρωποι να ζήσουν εκτός Γης. Ένα σχέδιο για περιστρεφόμενες πόλεις στο διάστημα που, παρά τα 50 και πλέον χρόνια από τη σύλληψή του, παραμένει η αναφορά για κάθε σοβαρή συζήτηση περί διαστημικών οικισμών.

Ο φυσικός που ρώτησε μια αιρετική ερώτηση

Ο Gerard K. O'Neill ήταν Αμερικανός φυσικός υψηλών ενεργειών στο Princeton, εφευρέτης του particle storage ring που αποτέλεσε τη βάση για τους σύγχρονους επιταχυντές σωματιδίων. Το 1969, διδάσκοντας εισαγωγή στη φυσική, έθεσε στους πρωτοετείς φοιτητές του μία ερώτηση που έμοιαζε προβοκατόρικη. Είναι η επιφάνεια ενός πλανήτη το σωστό μέρος για έναν αναπτυσσόμενο τεχνολογικό πολιτισμό;

Η απάντηση που προέκυψε από εκείνες τις συζητήσεις, και που τον απασχόλησε για την υπόλοιπη ζωή του, ήταν «όχι». Ο O'Neill υποστήριζε ότι οι πλανήτες έχουν περιορισμένη επιφάνεια, σταθερή βαρύτητα που δεν μπορεί να ρυθμιστεί, και βρίσκονται μακριά μεταξύ τους. Αντί να ξοδέψουμε αιώνες προσπαθώντας να μεταμορφώσουμε τον Άρη, υποστήριξε, μπορούμε να κατασκευάσουμε τους δικούς μας τεχνητούς κόσμους πιο κοντά στη Γη, με τη μορφή τεράστιων περιστρεφόμενων κυλίνδρων.

Η ιδέα του αρχικά απορρίφθηκε από κάθε σημαντικό επιστημονικό περιοδικό. Δημοσιεύτηκε τελικά τον Σεπτέμβριο του 1974 στο Physics Today, και αναπτύχθηκε πλήρως στο βιβλίο του The High Frontier: Human Colonies in Space το 1976, που του χάρισε το Phi Beta Kappa Award in Science. Ο O'Neill πέθανε από λευχαιμία το 1992, χωρίς να δει την ιδέα του να υλοποιείται. Άφησε όμως πίσω του μια ολόκληρη γενιά μελετητών και ένα σαφές σχέδιο.

Πώς λειτουργεί ένας Κύλινδρος O'Neill

Η μεγαλύτερη εκδοχή του σχεδίου του O'Neill, γνωστή ως Island Three, αποτελείται από δύο τεράστιους κυλίνδρους που περιστρέφονται προς αντίθετες κατευθύνσεις. Κάθε κύλινδρος έχει μήκος περίπου 32 χιλιόμετρα και διάμετρο 8 χιλιόμετρα. Για να γίνει αντιληπτή η κλίμακα, ένας τέτοιος οικισμός έχει εσωτερική κατοικήσιμη επιφάνεια συγκρίσιμη με ένα μικρό νομό, και θα μπορούσε να φιλοξενήσει αρκετά εκατομμύρια κατοίκους.

Η περιστροφή κάθε κυλίνδρου δημιουργεί τεχνητή βαρύτητα με τη βοήθεια της φυγόκεντρης δύναμης. Φανταστείτε ότι βρίσκεστε μέσα σε ένα τεράστιο τύμπανο που γυρίζει. Όσο πιο γρήγορα γυρίζει, τόσο πιο δυνατά σας σπρώχνει η αδράνεια προς το εξωτερικό τοίχωμα. Σε έναν κύλινδρο με ακτίνα 4 χιλιομέτρων, αρκούν περίπου 28 περιστροφές την ώρα, δηλαδή λιγότερο από μία ανά δύο λεπτά, για να αναπαραχθεί η βαρύτητα της Γης στο εσωτερικό τοίχωμα. Αν περπατούσατε εκεί μέσα, η αίσθηση θα ήταν πρακτικά πανομοιότυπη με αυτή που έχετε στο σαλόνι σας.

Ο λόγος που οι κύλινδροι έρχονται πάντα σε ζευγάρια έχει να κάνει με τη φυσική. Ένα μόνο τεράστιο σώμα που περιστρέφεται συμπεριφέρεται σαν γυροσκόπιο και αντιστέκεται όταν προσπαθούμε να αλλάξουμε την κατεύθυνσή του. Δύο κύλινδροι που γυρίζουν αντίθετα ακυρώνουν αυτό το γυροσκοπικό φαινόμενο, επιτρέποντας στο όλο σύστημα να στρέφεται εύκολα προς τον Ήλιο, κάτι απαραίτητο τόσο για τον φωτισμό όσο και για την παραγωγή ενέργειας.

Η εσωτερική επιφάνεια κάθε κυλίνδρου χωρίζεται σε έξι κατά μήκος λωρίδες ίσου πλάτους. Τρεις από αυτές είναι κατοικήσιμη γη με χώμα, βλάστηση, ποτάμια και πόλεις. Οι άλλες τρεις είναι τεράστια διάφανα παράθυρα. Μεγάλοι ανακλαστήρες αναρτημένοι έξω από κάθε παράθυρο ανοίγουν και κλείνουν, κατευθύνοντας το ηλιακό φως προς το εσωτερικό και δημιουργώντας έναν τεχνητό κύκλο μέρας και νύχτας.

Η ατμόσφαιρα στο εσωτερικό σχεδιάστηκε με πίεση περίπου στο μισό αυτής που υπάρχει στη στάθμη της θάλασσας. Το οξυγόνο διατηρείται κοντά στο φυσιολογικό επίπεδο της Γης, συμπληρωμένο με άζωτο. Η επιλογή έχει διπλό πλεονέκτημα. Μειώνει την ποσότητα αερίου που πρέπει να μεταφερθεί ή να παραχθεί επιτόπου, και επιτρέπει στα τοιχώματα του κυλίνδρου να είναι σημαντικά λεπτότερα και ελαφρύτερα. Με τόσο μεγάλο εσωτερικό όγκο, ένας Κύλινδρος O'Neill θα μπορούσε ακόμη να αναπτύξει τα δικά του τοπικά καιρικά φαινόμενα, ελεγχόμενα μέσω της σύστασης του αέρα και της ποσότητας του ανακλώμενου φωτός.

Από το Island One στο Island Three

Ο O'Neill δεν πρότεινε ποτέ έναν Κύλινδρο μεγαθηρίου ως αφετηρία. Στο σχέδιό του υπάρχει ένα μονοπάτι, με τρεις διαδοχικούς οικισμούς αυξανόμενης κλίμακας. Το Island One είναι μια μικρή σφαίρα διαμέτρου περίπου 500 μέτρων, σχεδιασμένη για 10.000 κατοίκους. Το Island Two είναι μεγαλύτερη σφαίρα διαμέτρου 1.600 μέτρων. Το Island Three είναι ο πραγματικός Κύλινδρος O'Neill, το τελικό μοντέλο της ωριμότητας.

Παράλληλα, το καλοκαίρι του 1975, ο O'Neill ηγήθηκε μιας ομάδας μηχανικών, αρχιτεκτόνων και επιστημόνων στο Stanford University, με χρηματοδότηση της NASA. Από εκείνη τη μελέτη προέκυψε ένα τρίτο εναλλακτικό σχέδιο, ο Stanford torus, ένας περιστρεφόμενος δακτύλιος διαμέτρου περίπου 1,8 χιλιομέτρων που θα μπορούσε να φιλοξενήσει 10.000 ανθρώπους. Τα έργα τέχνης του Rick Guidice και του Don Davis που γεννήθηκαν εκείνο το καλοκαίρι, παραγγελμένα από τη NASA, είναι μέχρι και σήμερα ο τρόπος που οι περισσότεροι άνθρωποι φαντάζονται τις διαστημικές πόλεις. Η σχετική μελέτη του NSS με τίτλο O'Neill Cylinder Space Settlement περιλαμβάνει πολλά από αυτά τα ιστορικά έργα.

Γιατί όχι πλανήτες; Η φιλοσοφία πίσω από τους Κυλίνδρους

Η πιο ριζοσπαστική πλευρά της σκέψης του O'Neill δεν ήταν τεχνική αλλά φιλοσοφική. Όταν όλοι μιλούσαν για αποικίες στη Σελήνη και τον Άρη, εκείνος υποστήριζε ότι αυτή η εμμονή με τις πλανητικές επιφάνειες είναι λάθος. Ο Jeff Bezos θα ονομάσει αργότερα αυτή τη νοοτροπία «planetary chauvinism», πλανητικό σοβινισμό.

Τα επιχειρήματα ήταν συγκεκριμένα. Πρώτον, οι Κύλινδροι O'Neill δίνουν αυτό που καμία άλλη μη γήινη επιφάνεια δεν δίνει, ακριβώς 1g βαρύτητα. Στον Άρη η βαρύτητα είναι το 38% αυτής της Γης, και κανείς δεν ξέρει ακόμη πώς θα αντιδρούσε ένα ανθρώπινο σώμα σε χρόνια διαβίωσης κάτω από αυτές τις συνθήκες, πόσο μάλλον ένα έμβρυο. Δεύτερον, ένας οικισμός σε τροχιά κοντά στη Γη επιτρέπει επικοινωνία σχεδόν σε πραγματικό χρόνο και σχετικά εύκολη μεταφορά, σε αντίθεση με τα λεπτά καθυστέρησης που επιβάλλει η απόσταση του Άρη. Τρίτον, και ίσως πιο σημαντικό, οι πλανητικές επιφάνειες είναι πεπερασμένος πόρος, ενώ ο διαθέσιμος χώρος γύρω από το Ήλιο για κυλίνδρους είναι πρακτικά απεριόριστος. Σε αυτό το σημείο η σκέψη του O'Neill συνομιλεί άμεσα με την κλίμακα Kardashev αφού πολλοί Κύλινδροι μαζί συνιστούν ένα πρώτο βήμα προς πολιτισμό Τύπου ΙΙ.

Ο O'Neill πρότεινε να τοποθετηθούν οι οικισμοί στο σημείο Lagrange L5, μία από τις πέντε βαρυτικά σταθερές ζώνες του συστήματος Γη Σελήνης. Στο L5, ένας Κύλινδρος παραμένει σταθερός σε σχέση με τη Γη και τη Σελήνη χωρίς να χρειάζεται καύσιμα για διορθώσεις. Τα υλικά κατασκευής, υποστήριξε, δεν θα έφταναν από τη Γη αλλά από τη Σελήνη, εκτοξευμένα με έναν μαγνητικό εκτοξευτή μάζας (mass driver), μια άλλη εφεύρεση του ίδιου του O'Neill που λειτουργεί σαν ηλεκτρομαγνητικό κανόνι χωρίς καύσιμα.

Οι μηχανικές προκλήσεις

Παρά την ομορφιά του σχεδίου, οι προκλήσεις είναι τεράστιες και ο O'Neill δεν τις απέκρυψε. Η πρώτη και κρισιμότερη είναι η ακτινοβολία. Στο διάστημα μακριά από τη μαγνητόσφαιρα της Γης, οι κοσμικές ακτίνες και τα ηλιακά σωματίδια αποτελούν θανατηφόρο κίνδυνο για ένα μη προστατευμένο σώμα. Η λύση του O'Neill ήταν παχιά ασπίδα από συσσωρευμένο σεληνιακό χώμα ή υλικά αστεροειδών γύρω από τον κύλινδρο, με τη μάζα της ίδιας της ατμόσφαιρας και του κελύφους να συμπληρώνει την προστασία. Πιο πρόσφατες μελέτες εξετάζουν επίσης ενεργή μαγνητική θωράκιση με υπεραγώγιμα πηνία.

Η δεύτερη πρόκληση είναι τα υλικά. Ένα δοχείο πίεσης διαμέτρου 8 χιλιομέτρων που περιστρέφεται και συγκρατεί τόσο μεγάλη μάζα ατμόσφαιρας και εδάφους ασκεί κολοσσιαίες τάσεις στα τοιχώματά του. Με τον χάλυβα του 1976, η κατασκευή ήταν στα όρια του εφικτού. Νεότερες προτάσεις, όπως ο McKendree cylinder που πρότεινε ο μηχανικός της NASA Tom McKendree, εξετάζουν τη χρήση νανοσωλήνων άνθρακα, υλικών εκατό φορές πιο ανθεκτικών από τον χάλυβα και οκτώ φορές ελαφρύτερων, που αρχίζουν σιγά σιγά να παράγονται σε εργαστηριακή κλίμακα.

Η τρίτη πρόκληση είναι το κόστος και η εφοδιαστική. Δεν υπάρχει σήμερα ούτε ένα κλάσμα της βιομηχανικής υποδομής στο διάστημα που θα χρειαζόταν. Χρειάζονται εξορυκτικές αποστολές στη Σελήνη και σε αστεροειδείς, εργοστάσια χωρίς βαρύτητα, ρομποτικοί κατασκευαστικοί στόλοι. Όλα αυτά είναι θεωρητικά εφικτά αλλά πρακτικά πολύ μακριά. Είναι ένας από τους λόγους που πολλοί αναλυτές τοποθετούν τους πρώτους πραγματικούς Κυλίνδρους O'Neill στο δεύτερο μισό του 22ου αιώνα, και ίσως αργότερα.

Από τη θεωρία στο σήμερα: Jeff Bezos και Blue Origin

Η ιδέα του O'Neill παραλίγο να ξεχαστεί τη δεκαετία του '90. Δεν ξεχάστηκε χάρη σε έναν συγκεκριμένο φοιτητή. Ο Jeff Bezos, μέλος του Class of 1986 στο Princeton, παρακολούθησε τα σεμινάρια του O'Neill και ηγήθηκε του φοιτητικού παραρτήματος των Students for the Exploration and Development of Space, όπως αναφέρει το ίδιο το Princeton σε αφιέρωμα του 2021 για το ντοκιμαντέρ The High Frontier. Όταν το 2000 ίδρυσε τη Blue Origin, η αρχική του φιλοδοξία δεν ήταν να φτάσει στη Σελήνη ή τον Άρη, αλλά να χτίσει την υποδομή που θα κάνει τους Κυλίνδρους O'Neill εφικτούς.

Τον Μάιο του 2019 ο Bezos παρουσίασε για πρώτη φορά δημόσια το όραμά του με τη μεγαλύτερη δυνατή λεπτομέρεια. Μίλησε για ένα τρισεκατομμύριο ανθρώπους που ζουν σε διαστημικούς οικισμούς, «χίλιους Μότσαρτ και χίλιους Αϊνστάιν» αντί για έναν, και επανέλαβε σχεδόν αυτολεξεί τα παλιά επιχειρήματα του O'Neill ενάντια στον πλανητικό σοβινισμό. Τον Ιανουάριο του 2020, τα νέα κεντρικά γραφεία της Blue Origin στο Κεντ της Ουάσιγκτον ονομάστηκαν O'Neill Building, προς τιμήν του δασκάλου του.

Αυτή η σύνδεση δεν είναι ασήμαντη. Πολλοί από τους σύγχρονους πρωταγωνιστές της διαστημικής βιομηχανίας, από τη NASA μέχρι τη National Space Society, αναγνωρίζουν ότι τα προγράμματα για επιστροφή στη Σελήνη και εξόρυξη αστεροειδών είναι, σιωπηρά ή φανερά, βήματα προς ένα μέλλον με Κυλίνδρους O'Neill. Έτσι εξηγείται γιατί η Blue Origin επενδύει τόσο πολύ σε επαναχρησιμοποιήσιμους πυραύλους όπως ο New Glenn και σεληνιακούς lander όπως το Blue Moon.

Πόσο μακριά είμαστε

Η ειλικρινής απάντηση είναι, πολύ μακριά. Δεν υπάρχει σήμερα η τεχνολογία για να κατασκευαστεί έστω και η μικρότερη εκδοχή των οικισμών του O'Neill. Όμως η κατεύθυνση μπορεί να φανεί. Η NASA έχει χρηματοδοτήσει μέσω του προγράμματος NIAC μελέτες όπως το Project RAMA, που εξετάζει τη ρομποτική μετατροπή αστεροειδών σε δομές για περιστρεφόμενους οικισμούς. Ιδιωτικές εταιρείες όπως η Vast και η Above Space σχεδιάζουν μικρούς εμπορικούς σταθμούς με δυνατότητα παραγωγής τεχνητής βαρύτητας μέσω περιστροφής, ως πρώτα ρεαλιστικά βήματα.

Όπως η σφαίρα Dyson και η κλίμακα Kardashev, οι Κύλινδροι O'Neill είναι κάτι παραπάνω από ένα σχέδιο. Είναι ένα διανοητικό εργαλείο, ένας τρόπος να σκεφτόμαστε σοβαρά τη θέση του ανθρώπου στο σύμπαν τις επόμενες χιλιετίες. Η πιο εντυπωσιακή πλευρά της ιστορίας τους δεν είναι η μηχανική πολυπλοκότητα αλλά το γεγονός ότι ξεκίνησαν ως μια ερώτηση σε μια αίθουσα φυσικής. Πενήντα χρόνια αργότερα, αυτή η ερώτηση συνεχίζει να καθοδηγεί τις πιο φιλόδοξες προσπάθειες μας στο διάστημα. Είτε φτάσουμε στους πραγματικούς κυλίνδρους τον επόμενο αιώνα είτε ποτέ, η αξία τους έγκειται στο ότι μας θυμίζουν πως η επιφάνεια ενός πλανήτη δεν χρειάζεται να είναι το ταβάνι.

🪐

Συχνές ερωτήσεις για τους Κυλίνδρους O'Neill

Τι είναι ο Κύλινδρος O'Neill;

Ο Κύλινδρος O'Neill είναι ένας θεωρητικός τύπος διαστημικού οικισμού που σχεδιάστηκε από τον Αμερικανό φυσικό Gerard K. O'Neill και παρουσιάστηκε ολοκληρωμένα στο βιβλίο του The High Frontier το 1976. Αποτελείται από δύο τεράστιους κυλίνδρους μήκους 32 χιλιομέτρων και διαμέτρου 8 χιλιομέτρων που περιστρέφονται προς αντίθετες κατευθύνσεις, παράγοντας τεχνητή βαρύτητα μέσω φυγόκεντρης δύναμης. Σχεδιάστηκε για να φιλοξενεί εκατομμύρια ανθρώπους σε ένα περιβάλλον παρόμοιο με αυτό της Γης, με ατμόσφαιρα, βλάστηση, ποτάμια και κύκλο μέρας και νύχτας.

Ποιος σχεδίασε τους Κυλίνδρους O'Neill και πότε;

Τους Κυλίνδρους O'Neill σχεδίασε ο Αμερικανός φυσικός Gerard K. O'Neill, καθηγητής στο Princeton University, ξεκινώντας από μια συζήτηση με φοιτητές του το 1969. Η πρώτη επιστημονική παρουσίαση της ιδέας έγινε στο περιοδικό Physics Today τον Σεπτέμβριο του 1974, και η πλήρης μορφή της δημοσιεύτηκε στο βιβλίο του The High Frontier: Human Colonies in Space το 1976. Ο O'Neill ίδρυσε επίσης το Space Studies Institute για τη συνέχιση της έρευνας και πέθανε από λευχαιμία το 1992.

Πώς δημιουργείται τεχνητή βαρύτητα μέσα σε έναν Κύλινδρο O'Neill;

Η τεχνητή βαρύτητα μέσα σε έναν Κύλινδρο O'Neill δημιουργείται μέσω της φυγόκεντρης δύναμης που παράγει η περιστροφή του κυλίνδρου γύρω από τον άξονά του. Σε έναν κύλινδρο διαμέτρου 8 χιλιομέτρων, μία πλήρης περιστροφή κάθε δύο λεπτά περίπου, δηλαδή κοντά στις 28 περιστροφές την ώρα, δημιουργεί στο εσωτερικό τοίχωμα μια δύναμη ισοδύναμη με τη βαρύτητα στη επιφάνεια της Γης, δηλαδή 1g. Οι κάτοικοι «πατούν» στο εσωτερικό κέλυφος του κυλίνδρου, ενώ ο κεντρικός άξονας παραμένει μηδενικής βαρύτητας και χρησιμοποιείται για αποθήκευση, βιομηχανία και αναψυχή.

Πόσους ανθρώπους θα μπορούσε να φιλοξενήσει ένας Κύλινδρος O'Neill;

Ένας πλήρους μεγέθους Κύλινδρος O'Neill, δηλαδή το σχέδιο Island Three, θα μπορούσε να φιλοξενήσει αρκετά εκατομμύρια κατοίκους ανάλογα με την επιλεγόμενη πυκνότητα κατοίκησης. Σύμφωνα με τη National Space Society, ένα ζευγάρι κυλίνδρων προσφέρει συνολική κατοικήσιμη γήινη επιφάνεια περίπου 1.300 τετραγωνικών χιλιομέτρων. Σε παρουσίαση του 2019, ο Jeff Bezos μίλησε για περίπου ένα εκατομμύριο κατοίκους ανά οικισμό ως ρεαλιστικό μέγεθος για μια πρώτη γενιά διαστημικών πόλεων.

Έχει σχέση ο Jeff Bezos με τους Κυλίνδρους O'Neill;

Ο Jeff Bezos συνδέεται άμεσα με τους Κυλίνδρους O'Neill γιατί ήταν φοιτητής του Gerard K. O'Neill στο Princeton University ως μέλος του Class of 1986. Ο Bezos παρακολούθησε τα σεμινάρια του O'Neill για το διαστημικό μέλλον και ηγήθηκε του φοιτητικού παραρτήματος των Students for the Exploration and Development of Space. Η εταιρεία του Blue Origin, που ίδρυσε το 2000, στοχεύει στην κατασκευή της υποδομής που θα κάνει τέτοιους οικισμούς εφικτούς, και τα κεντρικά της γραφεία στο Κεντ της Ουάσιγκτον ονομάστηκαν τον Ιανουάριο του 2020 O'Neill Building προς τιμήν του δασκάλου του.

Το άρθρο δημιουργήθηκε με τη βοήθεια τεχνητής νοημοσύνης και βασίστηκε σε αξιόπιστες επιστημονικές πηγές. Η τελική επιμέλεια και ο έλεγχος έγιναν από την ομάδα του Infinite Odyssey πριν τη δημοσίευση. Για περισσότερες διαστημικές ειδήσεις στα ελληνικά, μείνετε συντονισμένοι.