De droom om naar een andere ster te reizen en het zaad van de mensheid op een verre planeet te planten ... Het is niet overdreven om te zeggen dat het de verbeeldingskracht van de mens eeuwenlang heeft geboeid. Met de geboorte van de moderne astronomie en het ruimtetijdperk zijn er zelfs wetenschappelijke voorstellen gedaan over hoe dit zou kunnen worden gedaan. Maar natuurlijk leven in een relativistisch universum biedt veel uitdagingen waarvoor geen eenvoudige oplossingen bestaan.
Van deze uitdagingen heeft een van de grootste te maken met de enorme hoeveelheid energie die nodig is om mensen binnen hun eigen leven naar een andere ster te brengen. Daarom raden sommige voorstanders van interstellaire reizen aan om ruimtevaartuigen te sturen die in wezen geminiaturiseerde werelden zijn die reizigers eeuwen of langer kunnen huisvesten. Deze "Generation Ships" (ook bekend als wereldschepen of Interstellaire Arks) zijn ruimtevaartuigen die zijn gebouwd voor de werkelijk op lange termijn.
De logica achter een generatieschip is simpel: als je niet snel genoeg kunt reizen om binnen één leven naar een ander zonnestelsel te gaan, bouw dan een schip dat groot genoeg is om alles te vervoeren wat je nodig zou kunnen hebben voor een lange reis. Dit zou betekenen dat een schip over een betrouwbaar voortstuwingssysteem moet beschikken dat een constante stuwkracht kan bieden tijdens accelereren en vertragen, en over de nodige voorzieningen om voor meerdere generaties mensen te zorgen.
Bovendien zou het schip ervoor moeten kunnen zorgen dat de bemanning voedsel, water en ademende lucht heeft - voldoende om eeuwen of zelfs millennia mee te gaan. Dit zou naar alle waarschijnlijkheid betekenen dat er in het schip een microklimaat met een gesloten systeem wordt gecreëerd, compleet met een watercyclus, een koolstofcyclus en een stikstofcyclus. Hierdoor kan voedsel worden verbouwd en kunnen water en lucht continu worden gerecycled.
Het bereiken van de dichtstbijzijnde sterren
De dichtstbijzijnde ster bij ons zonnestelsel is Proxima Centauri, een M-type (rode dwerg) hoofdreeksster op ongeveer 4,24 lichtjaar afstand. Deze ster maakt deel uit van een drievoudig stersysteem dat het Alpha Centauri-systeem omvat, een dubbelster dat bestaat uit een hoofdreeks Zon-achtige ster (een G-type gele dwerg) en een hoofdreeks K-type (oranje dwerg) ster.
Proxima Centauri is niet alleen het sterrenstelsel dat het dichtst bij het onze ligt, maar ook de thuisbasis van de exoplanet die het dichtst bij de aarde staat - Proxima b. Deze terrestrische (oftewel rotsachtige) planeet - waarvan de ontdekking in 2016 werd aangekondigd door de European Southern Observatory (ESO) - is ongeveer even groot als de aarde (1,3 massa's van de aarde) en draait binnen de circumsolar bewoonbare zone van zijn ster.
De volgende dichtstbijzijnde exoplaneet die in de HZ van zijn ster draait, is Ross 128 b, een exoplaneet ter grootte van een aarde die rond een rode dwergster zo'n 11 lichtjaar van de aarde draait. De volgende dichtstbijzijnde zonachtige ster is Tau Ceti, die iets minder dan 12 lichtjaar verwijderd is en één potentieel bewoonbare kandidaat heeft (Tau Ceti e). In feite zijn er 16 exoplaneten binnen 50 lichtjaar van de aarde die het leven zouden kunnen ondersteunen.
Maar zoals we in een vorig artikel hebben onderzocht, zou het erg lang duren om naar zelfs de dichtstbijzijnde ster te reizen en het zou enorm veel energie kosten. Met conventionele voortstuwingsmiddelen kan het tussen de 19.000 en 81.000 jaar duren om daar te komen. Met behulp van voorgestelde methoden die zijn getest maar nog niet zijn gebouwd (zoals nucleaire raketten), wordt de reistijd beperkt tot ongeveer 1000 jaar.
Er zijn voorgestelde methoden die in staat zijn om de dichtstbijzijnde sterren binnen een enkele levensduur te bereiken, zoals voortstuwing met gerichte energie - bijvoorbeeld Breakthrough Starshot. Voor dit concept kon een licht zeil en een ruimteschip op gramschaal worden versneld tot 20% van de lichtsnelheid (0,2 c), dus de reis naar Alpha Centauri in slechts 20 jaar. Starshot en soortgelijke voorstellen zijn echter allemaal onbemande concepten.
Afgezien hiervan zijn de enige mogelijke methoden om mensen naar een ander sterrenstelsel te sturen ofwel technisch haalbaar (maar onontwikkeld) of volledig theoretisch (zoals de Alcubierre Warp Drive). Met dat in gedachten hebben veel wetenschappers voorstellen opgesteld die de snelheid zouden laten varen en in plaats daarvan zouden focussen op het opvangen van bemanningen tijdens de lange reis.
Voorbeelden in fictie
Het vroegst opgetekende voorbeeld lijkt te zijn gemaakt door ingenieur en sciencefictionschrijver John Munro in zijn roman Een reis naar Venus (1897). Daarin vermeldt hij hoe de mensheid op een dag een interstellaire soort kan worden:
“Met een schip dat groot genoeg is om de levensbehoeften te bevatten, zou een select gezelschap van dames en heren naar de Melkweg kunnen vertrekken, en als alles goed zou gaan, zouden hun nakomelingen daar binnen een paar miljoen jaar aankomen. "
Het concept werd in meer detail besproken in de sciencefictionroman uit 1933 Wanneer World Collide, mede-auteur van Philip Wylie en Edwin Balmer. In dit verhaal staat de aarde op het punt te worden vernietigd door malafide planeten die door het zonnestelsel gaan. Dit dwingt een groep astronomen om een enorm schip te creëren met een bemanning van 50, samen met vee en uitrusting, naar een nieuwe planeet.
Robert A. Heinlein onderzocht ook de fysieke, psychologische en sociale effecten van een generatieschip in een van zijn eerste romans, Orphans of the Sky. Het verhaal werd oorspronkelijk gepubliceerd als twee afzonderlijke novellen in 1941, maar werd in 1963 opnieuw uitgebracht als een enkele roman. Het schip in dit verhaal staat bekend als de Voorhoede, een generatieschip dat na een muiterij permanent in de ruimte drijft, leidde tot de dood van alle piloten.
Generaties later zijn de afstammelingen het doel en de aard van het schip vergeten en geloven dat het hun hele universum is. Het grootste deel van de bemanning leeft nog steeds in de cilinder, maar een aparte groep van 'muties' (wat afwisselend betekent dat ze mutanten of muiters zijn) leven in de bovendekken waar de zwaartekracht lager is en blootstelling aan straling fysieke veranderingen heeft veroorzaakt.
Arthur C. Clarke's Afspraak met Rama (1973) is misschien wel het bekendste voorbeeld van een generatieschip in science fiction. In tegenstelling tot andere fictieve behandelingen van het concept, was het vat in dit verhaal van buitenaardse oorsprong! Deze enorme ruimtecilinder staat bekend als Rama en is een op zichzelf staande wereld die de 'Ramans' van de ene kant van de melkweg naar de andere kant draagt.
Het verhaal begint als een bemanning van de aarde wordt gestuurd om af te spreken met het schip en het binnenland te verkennen. Binnen vinden ze structuren die zijn gerangschikt zoals steden, transportinfrastructuur, een zee die zich uitstrekt rond het midden en horizontale greppels die fungeren als ramen. Naarmate het schip dichter bij de zon komt, stroomt het licht binnen en begint de machine tot leven te komen.
Uiteindelijk concluderen de menselijke astronauten dat de gebouwen eigenlijk fabrieken zijn en dat de zee van het schip een chemische soep is die zal worden gebruikt om 'Ramans' te maken zodra het zijn bestemming heeft bereikt. Uiteindelijk is ons zonnestelsel echter slechts een tussenstop op hun reis en dat is hoe de Ramans zo de melkweg met hun soort zaaien.
In Alastair Reynold's Chasm City (2001) - die deel uitmaakt van zijn Openbaring ruimte serie - een groot deel van het verhaal speelt zich af aan boord van een reeks grote, interstellaire ruimtevaartuigen. Deze schepen reizen naar Cygni 61, een dubbelstersysteem bestaande uit twee K-type oranje dwergen, om een wereld te koloniseren die in de hele serie bekend staat als Sky’s Edge.
Deze schepen worden beschreven als cilindrisch en vertrouwen op antimaterie-voortstuwing om met relativistische snelheden te reizen. Naast het dragen van een compliment van cryogeen ingevroren passagiers, hebben deze schepen een bemanning in wakende omstandigheden en beschikken ze over alle benodigde faciliteiten en uitrusting om ze te vermaken. Deze omvatten persoonlijke vertrekken, eetzalen, medische baaien en recreatiecentra.
In 2002 bracht de beroemde sciencefictionauteur Ursula K. LeGuin haar eigen kijk op de effecten van intergenerationele ruimtevaart uit, getiteld Paradises Lost. De setting voor dit verhaal is de Ontdekking, een schip dat al generaties lang door de ruimte reist. Terwijl degenen die zich de aarde herinneren beginnen af te sterven, beginnen de jongere generaties het gevoel te krijgen dat het schip voor hen tastbaarder is dan het verhaal over hun oude thuiswereld of hun bestemming.
Uiteindelijk ontstaat er een nieuwe religie genaamd "Bliss" die leert dat de Ontdekking ("Ruimteschip hemel" voor de gelovigen) is eigenlijk voor eeuwig gebonden in plaats van een andere planeet. Deze religie wordt omarmd tot ongenoegen van de oudere generatie die bang is dat hun kinderen het schip nooit meer zullen verlaten als het eenmaal aankomt. Dit verhaal werd ook in 2012 aangepast tot een opera.
De roman uit 2011 Leviathan Wakes door James S. A. Corey (en latere afleveringen in de Uitgestrektheid serie) is voorzien van een generatieschip genaamd "Nauvoo". Dit schip wordt gebouwd door een groep mormonen, zodat ze naar een ander sterrenstelsel kunnen reizen en daar kunnen koloniseren. De Nauvoo wordt beschreven als massief, cilindrisch van vorm en roteert om kunstmatige zwaartekracht te genereren voor zijn bemanning.
In Kim Stanley Robin's Aurora (2015) speelt het grootste deel van het verhaal zich af aan boord van een gelijknamig interstellair ruimteschip. Robinson beschrijft een schip dat twee roterende torii gebruikt om de zwaartekracht te simuleren terwijl de mensen in een reeks van aarde-analoge omgevingen leven. Hun uiteindelijke bestemming is Tau Ceti, een zonachtige ster op 12 lichtjaar van de aarde, waar ze van plan zijn een exomoon te koloniseren die om Tau Ceti e draait.
Het schip wordt beschreven als een Orion-klasse schip dat de gecontroleerde explosie van thermonucleaire apparaten gebruikt om voortstuwing te genereren, samen met een elektromagnetische array die wordt gebruikt om het vanuit het zonnestelsel te lanceren. In de kenmerkende stijl van Robinson wordt ook veel aandacht besteed aan hoe de kolonisten een zorgvuldig evenwicht aan boord van hun schip bewaren en de psychologische effecten van reizen met meerdere generaties.
Voorstellen
Sinds het begin van de 20e eeuw zijn er meerdere voorstellen gedaan door wetenschappers en ingenieurs. Veel van deze voorstellen werden gepresenteerd in de vorm van studies, terwijl andere werden gepopulariseerd in sciencefictionromans. Het vroegst bekende voorbeeld was het essay "The Ultimate Migration" uit 1918 van raketpionier Robert H. Goddard (naar wie NASA's Goddard Space Flight Center is vernoemd).
De bemanning bracht de eeuwenlange reis door in onderbroken animatie, waarbij de piloot met tussenpozen werd gewekt om koerscorrecties en onderhoud uit te voeren. Zoals hij schreef:
'De piloot moet met tussenpozen worden gewekt of geanimeerd, misschien wel 10.000 jaar voor een doorgang naar de dichtstbijzijnde sterren, en 1.000.000 jaar voor grote afstanden, of voor andere stelsystemen. Om dit te bereiken, moet een klok worden gebruikt die wordt bediend door een gewichtsverandering (in plaats van door elektrische ladingen, die te snelle effecten veroorzaken) van een stralingsstof ... Dit ontwaken zou natuurlijk nodig zijn om het apparaat te sturen, als het uit de koers is geraakt. '
Hij voorzag ook dat atoomenergie als energiebron zou kunnen worden gebruikt; maar als dat niet lukt, zou een combinatie van waterstof en zuurstof als zonne-energie voldoende zijn. Op basis van zijn berekeningen schatte Goddard dat deze voldoende zouden zijn om het schip op snelheden van 4,8 tot 16 km / s (3 tot 10 mijl / s) te krijgen, wat neerkomt op 17.280 km / h tot 57.600 km / h (10.737 tot 36.000 mph) of 0.000016% tot 0.00005% de lichtsnelheid.
Konstantin E. Tsiolkovsky, de 'vader van de astronautische theorie', besprak ook het idee van een ruimteschip met meerdere generaties in zijn essay 'The Future of Earth and Mankind' (1928). Tsiolkovsky beschreef een ruimtekolonie (een 'ark van Noach') die zelfvoorzienend zou zijn en waar bemanningen in wakkere omstandigheden werden vastgehouden totdat ze duizenden jaren later hun bestemming bereikten.
Een andere vroege beschrijving van een generatieschip staat in het essay uit 1929 "The World, The Flesh, & The Devil" van J. D. Bernal (uitvinder van de "Bernal Sphere"). In dit invloedrijke essay schreef Bernal over de menselijke evolutie en de toekomst ervan in de ruimte, waaronder schepen die we tegenwoordig zouden omschrijven als 'generatieschepen'.
In 1946 stelde de Pools-Amerikaanse wiskundige Stanislaw Ulam een nieuw idee voor dat bekend staat als Nuclear Pulse Propulsion (NPP). Als een van de bijdragers aan het Manhattan-project, voorzag Ulam hoe nucleaire apparaten zouden worden hergebruikt omwille van de verkenning van de ruimte. In 1955 lanceerde NASA Project Orion met het doel NNP te onderzoeken als middel voor het uitvoeren van verre ruimtereizen.
Dit project (dat officieel liep van 1958 tot 1963) werd geleid door Ted Taylor van General Atomics en natuurkundige Freeman Dyson van het Institute for Advanced Study in Princeton, New Jersey. Het werd verlaten nadat het Limited Test Ban Treaty (ondertekend in 1963) een permanent verbod op kernproeven in een baan om de aarde had ingesteld.
In 1964 stelde Dr. Robert Enzmann het meest gedetailleerde concept voor een generatieschip tot nu toe voor, hierna bekend als het "Enzmann Starship". Zijn voorstel riep op tot een schip dat deuteriumbrandstof zou gebruiken om fusiereacties te genereren om een klein percentage van de lichtsnelheid te bereiken. Het vaartuig zou 600 meter (2000 voet) lang zijn en plaats bieden aan een aanvankelijke bemanning van 200 (met ruimte voor uitbreiding).
In de jaren zeventig voerde de British Interplanetary Society een haalbaarheidsstudie uit voor interstellaire reizen, bekend als Project Daedalus. Deze studie riep op tot de oprichting van een tweetraps door fusie aangedreven ruimtevaartuig dat in staat zou zijn om de reis naar Barnard's Star (5,9 lichtjaar van de aarde) in één enkel leven te maken. Hoewel dit concept voor een onbemand ruimtevaartuig was, zou het onderzoek toekomstige ideeën voor bemande missies informeren.
Zo heeft de internationale organisatie Icarus Interstellar sindsdien geprobeerd het concept nieuw leven in te blazen in de vorm van Project Icarus. Opgericht in 2009, hopen de vrijwillige wetenschappers van Icarus (van wie velen hebben gewerkt voor NASA en de ESA) de fusie-voortstuwing en andere geavanceerde voortstuwingsmethoden in de 21e eeuw tot een realiteit te maken.
Er zijn ook onderzoeken uitgevoerd die antimaterie als voortstuwingsmiddel hebben beschouwd. Deze methode omvat het botsen van atomen van waterstof en antiwaterstof in een reactiekamer, wat de voordelen biedt van ongelooflijke energiedichtheid en lage massa. Om deze reden, NASA's Institute for Advanced Concepts (NIAC) onderzoekt de technologie als een mogelijk middel voor langdurige missies.
Tussen 2017 en 2019 voerde Dr. Frederic Marin van het Astronomisch Observatorium van Straatsburg een reeks zeer gedetailleerde onderzoeken uit naar de noodzakelijke parameters voor een generatieschip - inclusief minimale bemanningsgrootte, genetische diversiteit en de grootte van het schip. In alle gevallen vertrouwden hij en zijn collega's op een nieuw type numerieke software (HERITAGE genaamd) die ze zelf hadden gemaakt.
Voor de eerste twee onderzoeken voerden Dr. Marin en zijn collega's simulaties uit die aantoonden dat een minimale bemanning van 98 (max. 500) gekoppeld moest worden aan een cryogene bank van sperma, eieren en embryo's om overleving te verzekeren (maar om overbevolking te voorkomen) ) evenals genetische diversiteit en een goede gezondheid bij aankomst.
In de derde studie bepaalden Dr. Marin en een ander team van onderzoekers dat een generatieschip 320 meter (1050 voet) lang, 224 meter (735 voet) in straal zou moeten meten en ten minste 450 m² (~ 4850 ft²) zou moeten bevatten ) van kunstmatige grond omwille van de landbouw. Dit land zou er ook voor zorgen dat het water en de lucht van het schip worden gerecycled als onderdeel van een microklimaat.
Voordelen
Het grote voordeel van een generatieschip is dat het gebouwd kan worden met bewezen technologie en niet hoeft te wachten op aanzienlijke technologische vooruitgang. Ook is het centrale doel van het concept om af te zien van de kwestie van snelheid en drijfgas om ervoor te zorgen dat een team van mensen uiteindelijk een ander sterrenstelsel kan koloniseren.
Zoals we in een vorig artikel hebben onderzocht, zou een generatieschip ook twee belangrijke doelen van ruimteverkenning vervullen, namelijk het in stand houden van een menselijke kolonie in de ruimte en reizen naar een mogelijk bewoonbare exoplaneet mogelijk maken. Bovendien zou een bemanning die uit honderden of duizenden bestaat, de kans op een succesvolle kolonisatie van een andere planeet vergroten.
Last but not least zou de ruime omgeving van een generatieschip het mogelijk maken om meerdere methoden te volgen. Zo kan een deel van de bemanning tijdens de reis in waakomstandigheden worden gehouden, terwijl een ander deel in cryogene suspensie kan worden gehouden. Mensen kunnen ook nieuw leven worden ingeblazen en in ploegen weer worden opgeschort, waardoor de psychologische effecten van de lange reis worden geminimaliseerd.
Helaas eindigen daar de voordelen en beginnen de problemen / uitdagingen.
Nadelen
Het meest voor de hand liggende nadeel van een generatieschip zijn de enorme kosten voor het bouwen en onderhouden van zulke grote ruimteschepen, wat onbetaalbaar zou zijn. Er zijn ook de gevaren van het sturen van menselijke bemanningen voor lange tijd de ruimte in. Op een reis die eeuwen of millennia in beslag zou nemen, bestaat de duidelijke mogelijkheid dat de bemanning zal bezwijken voor gevoelens van isolement en verveling en zich tegen elkaar zal keren.
Dan zijn er de fysiologische problemen die een reis van meerdere generaties door de ruimte met zich mee zou kunnen brengen. Het is bekend dat de stralingsomgeving in de diepe ruimte aanzienlijk anders is dan de omgeving op aarde of in een lage baan om de aarde (LEO). Zelfs met stralingsafscherming kan langdurige blootstelling aan kosmische straling een ernstige impact hebben op de gezondheid van de bemanning.
Hoewel cryogene suspensie sommige van deze problemen zou kunnen verlichten, zijn de langetermijneffecten van cryogenica op de menselijke fysiologie nog niet bekend. Dit betekent dat uitgebreide tests nodig zouden zijn voordat een dergelijke missie ooit zou kunnen worden geprobeerd. Dit draagt alleen maar bij aan de algemene morele en ethische overwegingen die dit concept met zich meebrengt.
Ten slotte bestaat de mogelijkheid dat de daaropvolgende technologische vooruitgang in de tussentijd zal leiden tot de ontwikkeling van snellere en geavanceerdere sterrenschepen. Deze schepen, die de aarde veel later zouden verlaten, zouden het generatieschip kunnen inhalen voordat het ooit zijn bestemming had bereikt, waardoor de hele reis zinloos zou worden.
Conclusies
Gezien de enorme kosten van het bouwen van een generatieschip, de risico's van zo'n lange reis, het aantal onbekende factoren en de mogelijkheid dat het zinloos zou worden door de vooruitgang van de technologie, moet men de vraag stellen: is het de moeite waard het? Helaas is er, zoals zoveel vragen over ruimtevaart met meerdere generaties, geen duidelijk antwoord.
Uiteindelijk, als de middelen beschikbaar zijn en de wil om het te doen, is het goed mogelijk dat mensen uiteindelijk zo'n missie proberen. Er is geen garantie voor succes en zelfs als de bemanning met succes een ander zonnestelsel bereikt en een verre planeet koloniseert, zal het millennia duren voordat iemand op aarde van hun nakomelingen hoort.
Onder deze omstandigheden lijkt het verstandiger om gewoon te wachten op verdere technologische vooruitgang en later te proberen interstellair te gaan. Het is echter mogelijk dat niet iedereen zo bereid is te wachten, en de geschiedenis herinnert zich vaak degenen die de kansen trotseren en risico's nemen. En zoals ondernemingen zoals Mars One ons hebben laten zien, is er geen tekort aan mensen die bereid zijn hun leven te riskeren om een verre wereld te koloniseren!
We hebben veel artikelen geschreven over het onderwerp Generatieschepen hier bij Space Magazine. Wat is het minimumaantal mensen dat u in een generatieschip naar Proxima Centauri moet sturen? en hoe groot zou een generatieschip moeten zijn om een bemanning van 500 levend te houden voor de reis naar een andere ster ?, de meest efficiënte manier om de hele Melkweg te verkennen, Star by Star, en voors en tegens van verschillende methoden van interstellaire reizen .
Bronnen:
- Wikipedia - Generation Ship
- Wikipedia - Interstellar Ark
- Strange Paths - Interstellar Ark
- SFF - Thema's: generatieschepen
- Mashable - De interstellaire droom sterft
- Centauri Dreams - Worldships: een interview met Greg Matloff
- Icarus Interstellar - Project Hyperion: The Hollow Asteroid Starship - Verspreiding van een idee
- ERFGOED: een Monte Carlo-code om de levensvatbaarheid van interstellaire reizen te evalueren met behulp van een bemanning van meerdere generaties, Marin, Frederic. JBIS, vol. 70, nee. 5-6, 2017
- De minimale bemanning berekenen voor een ruimtereis van meerdere generaties in de richting van Proxima Centauri b, Marin, F., Beluffi, C. 71, nr. 2, 2018
- Numerieke beperkingen voor de omvang van opwekkingsschepen als gevolg van het totale energieverbruik aan boord, de jaarlijkse voedselproductie en ruimteteelttechnieken, Marin (et al.). 10, 2018
