استوانه اونيل؛ ابرسازه‌‌اي فضايي براي اسكان تمدن بشر

استوانه‌‌ي اونيل (يا كلوني اونيل) يك طرح مفهومي براي سكونتگاهي فضايي است كه اولين‌بار از سوي فيزيكداني آمريكايي با نام جرالد كي.اونيل مطرح شد. او در جزوه رايگاني با نام «مرز بالايي: كلوني بشري در فضا» كه در سال ۱۹۷۶ ميلادي منتشر شد، از ايده‌‌ي هيجان‌‌انگيز خود براي كلوني‌‌سازي در فضا پرده برداشت. او آينده‌‌اي را به تصوير كشيد كه در آن بشر مي‌‌تواند در قرن بيست‌‌ويكم و با استفاده ازمواد اوليه‌ي استخراج‌‌شده از ماه و سيارك‌‌هاي سرگردان، شروع به ساخت انواعي از سكونتگاه‌‌هاي عظيم و معلق در دل فضا كند.

اما اساسا چرا اونيل مي‌‌بايست به ايده‌ي ساخت چنين سكونتگاه‌‌هايي در فضا بينديشد؟

تاريخچه‌‌ي ايده

مي‌‌توان گفت اولين‌‌بار، ايده‌‌ي ساخت چنين سكونتگاهي از سوي دانشمندي آلماني با نام هرمن اوبرث مطرح شد. اوبرث در جزوه رايگاني با نام «مردم در فضا؛ پروژه‌‌هاي جديد موشك‌‌ها و سفر فضايي» در سال ۱۹۵۴، نوعي سكونتگاه استوانه‌‌اي عظيم را توصيف كرد كه از آن براي انجام سفرهاي فضايي استفاده مي‌‌شده است.

دو دهه‌‌ بعد از اين ماجرا، درحالي‌كه اونيل مشغول تدريس فيزيك به دانشجويان مقطع متخصص كارشناسي در دانشگاه پرينستون بود، تكليفي براي شاگردانش تعيين كرد و از آن‌‌ها خواست ايده‌‌هاي خود را درمورد نحوه‌‌ي طراحي ابرسازه‌‌هايي باقابليت سكونت در فضا مطرح كنند. در ميان اين طرح‌‌ها، چند ايده به‌‌ چشم او خورد كه از لحاظ ابعاد براي سكونت جوامع انساني مناسب به‌‌انديشه متخصصين مي‌‌رسيدند. درنتيجه‌‌ي اين همفكري، اونيل بالاخره توانست به ايده‌‌ي ساخت ابرسازه‌‌ي استوانه‌‌اي‌شكل خود دست يابد و آن را در سپتامبر سال ۱۹۷۴ طي مقاله‌‌اي در مجله‌‌ي فيزيكز تودي به چاپ برساند.

در آن زمان، اونيل درحقيقت سه طرح اصلي براي سازه‌‌ي پيشنهادي خود مطرح كرد كه هريك از آن‌‌ها با نام «جزيره» شناخته مي‌‌شدند. جزيره‌‌ي يك، يك كره‌‌ي دوار با قطر ۵۱۲ متر بود كه بنابر عقيده‌‌ي اونيل، مردم مي‌‌توانستند روي خط استواي اين كره سكونت داشته باشند. جزيره‌‌ي دو نيز ساختاري كروي با قطر ۱/۶ كيلومتر بود و نهايتا جزيره‌‌ي سه كه با نام استوانه‌‌ي اونيل (مهم‌‌ترين ايده‌‌ي طراحي او) شناخته مي‌‌شود، متشكل از دو استوانه‌‌ي مجزا با قطر ۸ كيلومتر و طول ۳۲ كيلومتر بود.

اصول طراحي

ساختار پيشنهادي اونيل متشكل از دو استوانه‌‌ي عظيم است كه هر يك، قطري به‌‌اندازه‌‌ي ۸ كيلومتر و درازايي برابر با ۳۲ كيلومتر دارند. طراحي اين ابرسازه به‌‌گونه‌‌اي است كه هر دو استوانه تنها از يك سمت با كمك سيستم بلبرينگي مهار شده‌‌اند و از سمت ديگر كاملا آزاد هستند. براي ايجاد گرانش مصنوعي در فضاي داخلي، نياز است كه استوانه‌‌ها حول محور طولي خود با سرعت مشخصي بچرخند؛ با اين چرخش دائمي، مي‌‌توان شرايطي مشابه با گرانش زمين را در سكونتگاه داخلي فراهم كرد. همچنين اين دو استوانه‌‌ي غول‌‌پيكر بايد در خلاف جهت يكديگر بچرخند تا بتوان اثر ژيروسكوپي ناشي از چرخش هريك از استوانه‌‌ها را خنثي كرد؛ اين سازوكار براي ثابت نگاه‌‌داشتن جهت‌‌گيري كل سازه رو به خورشيد ضروري است.

نمايي كامل از استوانه‌هاي اونيل

هر يك از اين دو استوانه، از ۶ نوار هم‌‌اندازه تشكيل شده‌ است كه در طول كل استوانه‌‌ها كشيده شده‌‌اند. از اين تعداد، سه نوار درواقع پنجره‌‌هاي شفاف سقف سازه هستند و سه نوار ديگر، سطوح سكونت‌پذير يا همان كف سازه را تشكيل خواهند داد. علاوه‌‌بر اين، طرح اونيل شامل يك «حلقه‌‌ي كشاورزي» در فضاي بيروني نيز مي‌‌شود كه حدود ۳۲ كيلومتر قطر دارد و با سرعتي متفاوت از استوانه‌‌هاي اصلي مي‌‌چرخد تا شرايط لازم را براي كشت‌‌ گياهان فراهم كند. همچنين «ناحيه‌‌ي صنعتي» نيز در مركز اين سازه قرار خواهد گرفت كه با دارا بودن سرعت خطي كمتر و درنتيجه‌‌ گرانش ضعيف‌‌تر، فضاي كار را براي انجام پاره‌‌اي از فعاليت‌‌هاي سنگين صنعتي فراهم خواهد كرد.

تأمين مصالح

اونيل پيشنهاد كرد كه براي صرفه‌‌جويي از هزينه‌‌هاي سرسام‌‌آور پرتاب راكت از سطح زمين، مصالح لازم براي ساخت تمامي اين سازه‌‌ها از سطح ماه و سيارك‌‌ها استخراج شود و با كمك يك «پرتابگر جرم» به فضا پرتاب شوند. اين پرتابگر نوعي وسيله براي ايجاد شتاب در پرتابه و شليك آن به‌‌كمك نيروي الكترومغناطيسي در سرعت‌‌هاي بالا است كه استفاده از آن در فضا مي‌‌تواند جايگزين خوبي براي سامانه‌‌هاي موشكي رايج در زمين باشد.

پرتابگر جرم؛ تجهيز جايگزين راكت براي پرتاب تجهيزات و مصالح موردنياز سكونتگاه‌هاي فضايي

نحوه‌‌ي ايجاد گرانش

از مهم‌ترين چالش‌‌هاي پيش‌‌رو در طراحي چنين سكونتگاه‌‌هايي، نحوه‌‌ي ايجاد گرانش مصنوعي مناسب است. باتوجه به معادله‌‌ي شتاب به‌‌صورت a=v²/r و تعيين مقادير a  و r به‌‌ترتيب برابر با ۹/۸۱ m/s2  و ۴ km، اونيل در طراحي خود پيشنهاد مي‌‌كند كه استوانه‌‌ها بايد با سرعتي حدود ۲۸ دور در ساعت حول محور خود بچرخند تا ساكنين بتوانند در اثر نيروي گريز از مركز ناشي از اين چرخش، وضعيتي مشابه با گرانش در سطح زمين را تجربه كنند. چنين گردشي، سرعت زاويه‌‌اي ۲.۸ درجه در هر ثانيه ايجاد خواهد كرد.

متخصص كارشناسان بر اين باورند كه اين ميزان سرعت زاويه‌‌اي آن‌‌قدر زياد نيست كه ساكنين را دچار احساسات ناخوشايندي مانند علائم «بيماري حركت» كند. بااين‌حال، افراد در چنين وضعيتي، هنگام چرخاندن سر خود در جهت چرخش سازه يا خلاف آن متوجه تفاوت‌‌هايي با شرايط زمين خواهند شد.

براي ايجاد گرانش مصنوعي در سكونتگاه‌ها به گردش استوانه‌هاي اونيل با سرعتي حدود ۲۸ دور در ساعت نياز خواهيم داشت

كنترل شرايط آب‌‌و‌‌هوايي

اتمسفر فضاي داخلي استوانه‌‌ها مخلوطي از گازهاي اكسيژن و نيتروژن با فشاري معادل با ۵۰ درصد فشار هوا در سطح دريا خواهد بود كه البته ميزان آن، اشكال چنداني براي تنفس ساكنين ايجاد نخواهد كرد. مزيت اين فشار تقليل‌‌يافته آن است كه به‌‌خوبي توسط جداره‌‌هاي بيروني استوانه قابل‌‌تحمل است. ضمن اينكه تراكم اتسمفر دروني دركنار وجود جداره‌‌ي شفاف سازه، مانع از رسيدن تشعشعات مضر كيهاني به اكوسيستم خواهد شد.

دركنار تمامي اين موارد، دانشمندان بر اين باور هستند كه حجم فضاي داخلي استوانه‌‌ي اونيل اجازه ايجاد سيستم آب‌‌وهوايي اختصاصي را در سكونتگاه خواهد داد. اگر هنوز زندگي در چنين فضايي برايتان جذابيتي ندارد، بايد بدانيد كه يكي از مهم‌ترين ويژگي‌‌هاي چنين سكونتگاه‌‌هايي، فراهم‌‌بودن امكان مهندسي آب‌‌وهوا است؛ دانشمندان مي‌‌گويند با تغيير تركيب اتمسفر دروني يا تنظيم ميزان نور دريافتي به‌‌راحتي مي‌‌توان شرايط جوي مختلفي را در سكونتگاه شبيه‌‌سازي كرد.

شبيه‌‌سازي شبانه‌‌روز

چنانچه چنين سازه‌‌اي به‌‌صورت دائم روبه خورشيد قرار دهيم، ديري نخواهد پاييد كه درون آن درست مانند يك كوره جديد خواهد شد. براي پيشگيري از اين اشكال، اونيل پيشنهاد مي‌‌كند كه آينه‌‌هاي بزرگي را به‌‌صورت لولايي پشت هريك از پنجره‌‌هاي عظيم سقف سازه نصب كنيم. بدين ترتيب براي شبيه‌‌سازي شب در سكونتگاه، آينه‌‌ها در حالتي عمودي قرار مي‌‌گيرند و فضاي بالاي سر ساكنين، تنها نمايي از فضاي تاريك و بي‌‌كران خواهد بود. براي القاي حس طلوع آفتاب و آغاز روز، آينه‌‌ها تغيير زاويه مي‌‌دهند و با انعكاس تدريجي نور خورشيد به درون سازه، شرايط حركت آرام خورشيد را در پهنه‌‌ي  آسمان تداعي خواهند كرد.

جهت‌‌گيري به‌سوي خورشيد

بسيار مهم است كه سكونتگاه فضايي (و آينه‌‌هاي مستقر روي آن) به‌صورت مؤثر رو به خورشيد جهت‌‌دهي شود. اين نكته براي تأمين نياز روشنايي و انرژي موردنياز ساكنين ضروري است. اونيل موفق شد روشي ابداع كند كه طي آن مي‌‌توان كل سازه را بدون كمك‌‌گرفتن از راكت، به‌‌صورت ۳۶۰ درجه‌‌اي چرخاند. او بنابر اصول ژيروسكوپي نشان داد كه درصورت افزايش فاصله‌‌ي ميان محور دو استوانه، كل مجموعه در يك جهت حركت مي‌‌كند و درصورت كاهش اين فاصله، كل مجموعه در خلاف جهت حالت قبل حركت خواهد كرد. از اين سازوكار مي‌‌توان براي تنظيم جهت‌‌گيري سيستم به‌‌سوي خورشيد بهره برد.

طراحي‌هاي مشابه

چنبره‌ي استنفورد:

چنبره‌ي استنفورد (Stanford torus) يكي از ديگر طرح‌هاي سكونتگاه‌هاي فضايي بود كه در سال ۱۹۷۵ از سوي دانشگاه استفورد براساس طرح ايستگاه فضايي چرخ دوار ارائه شد. اين طراحي شامل يك ابرسازه‌ي ۱۰ ميليون تُني است كه ظرفيت اسكان ۱۰ الي ۱۴۰ هزار نفر را دارد. شكل ظاهري اين سكونتگاه همان‌طور كه از نام آن برمي‌آيد، شبيه چنبره يا حلقه‌ي يك دونات با قطر تقريبي ۱/۸ كيلومتر است. اين حلقه باسرعت چرخش يك دور در دقيقه خواهد توانست نيروي گريزازمركز لازم براي ايجاد گرانشي با شدت 0/9g يا 1g را توليد كند.

چنبره استنفورد (Stanford torus)

تأمين نور در فضاي داخلي اين سكونتگاه توسط آرايه‌اي از آينه‌هاي ثابت گفتني است مطابق طراحي اصلي، چنبره‌ي اصلي به‌وسيله‌ي ۶ «پره»‌ي توخالي به هاب مركزي متصل مي‌شود كه امكان تردد ساكنين را از سكونتگاه به مركز نيز فراهم خواهد كرد. مشابه با طرح استوانه‌ي اونيل، هاب مركزي چنبره‌ي استنفورد نيز داراي كمترين ميزان گرانش است و ازاين‌رو فضايي مناسبي براي اتصال فضاپيماهاي خارجي و انجام فعاليت‌هاي صنعتي سنگين خواهد بود.

فضاي داخلي سكونتگاه چنبره‌اي با قطر ۱۳۰ متر است و ظاهري شبيه دره‌هاي نعل اسبي (U شكل) دارد كه در افق با شيب ملايمي رو به بالا رفته است. تراكم جمعيت در آن‌ها كم و قابل‌مقايسه با بافت حومه‌اي شهرهاي فعلي است و بخش‌هاي مجزايي براي انجام كشاورزي و ساخت‌وساز در آن درانديشه متخصصين گرفته شده است.

نماي داخلي از چنبره‌ي استنفورد

كره‌ي برنال، جزيره‌ي يك و جزيره‌ي دو:

كره‌ي برنال (Bernal sphere)، نوعي ديگر از سكونتگاه‌هاي فضايي است كه اولين‌بار در سال ۱۹۲۹ ازسوي جان دسموند برنال پيشنهاد شد. ايده‌ي اصلي برنال برپايه‌ي  يك پوسته‌ي كروي توخالي و غير دوار بود كه قطر آن به ۱۶ كيلومتر مي‌رسيد و ظرفيت اسكان ۲۰ الي ۳۰ هزار نفر را در خود داشت. كره‌ي برنال درواقع خاستگاه ايده‌ي اونيل براي پيشنهاد جزيره‌ي يك و دو نيز بود.

كره‌ي برنال (Bernal sphere)

اونيل بعدها با تكميل ايده‌ي برنال، پيشنهاد كرد كه قطر اين كره تنها به ۵۰۰ متر محدود شود. او همچنين ايده‌ي كره‌ي ثابت برنال را اصلاح كرد و پيشنهاد چرخش اين سكونتگاه كروي را با سرعت ۱/۹ دور در دقيقه مطرح كرد تا بتوان گرانشي مشابه با گرانش سطح زمين را در سكونتگاه تجربه كرد. بدين ترتيب طرح جزيره‌ي يك اونيل با ظرفيت اسكان تقريبي ۱۰ هزار نفر روي ناحيه‌ي قطري سكونتگاه شكل گرفت. بنابر طراحي اونيل، نور مورد نياز داخل سكونتگاه نيز ازطريق آينه‌هاي خارجي به پنجره‌هاي بزرگ نصب‌شده در دو قطب اين كره بازتاب خواهد شد.

كمي بعد از طراحي جزيره‌ي اول، اونيل پيشنهاد نسل دوم از اين سكونتگاه را  مطرح كرد. جزيره‌ي دو تنها نسخه‌اي بزرگتر از جزيره‌ي يك بود كه قطر آن به ۱۸۰۰ متر مي‌رسيد و فضاي بهينه‌تري را براي حمل‌ونقل و نيز انجام فعاليت‌هاي صنعتي فراهم مي‌كرد.

چالش‌‌هاي اجرايي

با تمامي اين تفاسير، شايد مخاطرات طبيعي و غيرطبيعي اشاره‌‌شده در ابتداي مقاله در انديشه متخصصين بسياري هنوز آن‌‌قدرها جدي نباشد كه بخواهيم ريسك‌‌هاي متخصص و اقتصادي اجراي چنين ايده‌‌ي متحورانه‌‌اي را به‌‌جان بخريم. ساخت و ارسال ماشين‌‌آلات ساخت‌‌وساز به فضا، بسترسازي و شروع ساخت‌‌وساز فضايي، ايجاد زيستگاه، بازيافت منابع طبيعي و تربيت پيش‌گامان آغاز تمدن نوين هيچيك از آن دسته موضوعاتي نيست كه چندان براي تهييج سياستمداران و تصميم‌‌گيرندگان جهان كافي باشد.

ايستگاه كوپر در فيلم سينمايي ميان‌ستاره‌اي (۲۰۱۴) نمونه‌اي از يك استوانه‌ي اونيل

حال به‌‌انديشه متخصصين مي‌‌رسد پس از دهه‌‌ها، ثروتمندترين مرد جهان و بنيان‌‌گذار شركت بلو ارجين نيز به استقبال از ايده‌‌ي كلوني اونيل رفته است. چندي پيش، جف بزوس درحالي‌كه به ارائه‌‌ي جزئيات طرح استوانه‌‌هاي اونيل اشاره مي‌‌كرد، به دفاع از ايده‌‌ي استوانه‌‌ي اونيل درمقابل ايده‌‌ي كلوني‌‌سازي ساير سيارات پرداخت. اين بدان معنا است كه ابرسازه‌هاي اونيل پس از ۴۰ سال بي‌توجهي، دوباره از تاريخ سربرآورده‌اند. حال كه صحبت از حمايت بانفوذترين سرمايه‌داران دنيا است، پس شما هم آماده باشيد؛ شايد قرار باشد براي ملاقات با نوه‌‌هايتان چمدان بزرگتري تدارك ببينيد.