Мегаструктуры: когда планеты станет мало

В 1964 году советский астрофизик Николай Кардашёв предложил классифицировать цивилизации по мощности, которой они располагают. Первый тип использует энергию планетарного масштаба, второй — своей звезды, третий — целой галактики.

Сейчас человечество не раскрывает даже потенциала Земли и потребляет около 20 ТВт энергии. А Солнце выделяет примерно в 20 триллионов раз больше этого. Поэтому до второго типа нам еще очень далеко. Но, возможно, кто-то другой в космосе уже освоил эти технологии.

В 1960 году физик Фримен Дайсон предложил искать следы развитых цивилизаций по инфракрасному излучению. По его мнению, инопланетяне перехватывают значительную часть света своей звезды, используют энергию, а остаточное тепло излучается в космос. Именно по этим следам можно их обнаружить.

В массовой культуре идея превратилась в сплошную сферу радиусом примерно 150 миллионов километров, то есть 1 астрономическую единицу. Земля находится внутри, Солнце освещает ее из центра, а внешняя поверхность сферы собирает энергию. Но у такой схемы есть проблемы.

Оболочка должна выдерживать огромное сжатие под действием притяжения звезды. Хуже того, по теореме Ньютона, внутри сплошной сферической оболочки гравитационное поле равно нулю. Звезда оболочку не чувствует, а оболочка звезду — да. Стоит им чуть разойтись, ближняя стенка притянется сильнее, и ее не остановить. Рано или поздно скорлупа встретится со звездой.

Есть и проблема массы. Если распределить все вещество Юпитера по сфере радиусом в одну астрономическую единицу, получится слой камня толщиной 2–3 метра. И это без дополнительного материала на укрепление, соединения и оборудование.

Не цельная сфера, а множество независимых коллекторов, станций и других объектов на собственных орбитах. Их можно строить постепенно, а поломка одного модуля не должна обрушить всю конструкцию. Но в этом случае придется постоянно контролировать и подстраивать орбиты миллионов тел, чтобы они не начали врезаться друг в друга.

В романе Ларри Нивена «Мир-Кольцо» (1970) строители разместили вокруг звезды сплошную вращающуюся ленту, на внутренней стороне которой расположили обитаемую поверхность. Это конструкция радиусом примерно 150 млн км, шириной около 1,6 млн км и длиной 940 млн км. По краям установлены стены высотой около 1600 км, чтобы удерживать атмосферу.

Площадь внутренней поверхности этого кольца в три миллиона раз превышала бы поверхности Земли. Чтобы совершить по ней кругосветное путешествие со скоростью 100 км/ч без остановки, понадобилось бы больше тысячи лет. Гравитацию здесь создает вращение. Чтобы добиться земных условий, скорость должна составлять около 1200 километров в секунду. В таком случае полный оборот занял бы примерно девять суток.

Проблема в том, что из-за центробежной силы вращающийся обруч стремится порвать сам себя. При 1200 км/с и небольшой плотности материала (1000 кг на кубометр) напряжение составит около полутора миллионов гигапаскалей.

В идеальных условиях даже углеродные нанотрубки и графен могут вынести около сотни гигапаскалей. Нивен придумал в своей книге скрит — сверхпрочный материал, из которого построено кольцо. Как и в случае со сферой Дайсона, стоит стенке кольца сместиться — и ближайший к звезде участок начнет притягиваться к ней сильнее дальнего. Это может привести к коллапсу. Поэтому в продолжениях книги автору пришлось придумать множество маленьких маневровых двигателей вдоль внутренней поверхности, чтобы постоянно поправлять положение.

Шотландский фантаст Иэн Бэнкс в цикле «Культура» (1987) предложил более скромный вариант — Орбитал. Это кольцо, которое не охватывает звезду, а летит вокруг нее по обычной орбите, как планета. Вращение здесь создает искусственную гравитацию на внутренней поверхности. При радиусе около 1,9 миллиона километров и периоде вращения 24 часа можно получить ускорение, близкое к земному.

Диаметр такого кольца составляет примерно 3,7 миллиона километров. Все еще немало, но значительно меньше Мира-Кольца. Орбитал не нужно удерживать в неподвижном положении вокруг звезды. Он движется согласно обычной небесной механике. Ось вращения наклонена к плоскости орбиты, поэтому день и ночь сменяются сами, без гигантских экранов-затенителей.

Чтобы поддерживать земную гравитацию, конструкции нужно будет вращаться со скоростью 135 км в секунду. Даже при меньшем размере и плотности материала 1000 кг на кубометр нагрузка составит примерно 20 000 гигапаскалей. Это все еще в сотни раз больше условного предела для идеальных углеродных нанотрубок. В книгах Бэнкса проблему решают фантастические материалы и развитая инфраструктура.

Можно не заставлять материал самостоятельно выдерживать все нагрузки, а передавать их через движущуюся массу. В замкнутом канале достаточно разогнать поток вещества и удерживать его магнитными направляющими. Поток будет передавать импульс, а направляющие и опоры примут нагрузку. Похожая идея используется в концепции пусковой петли Кита Лофстрома. В ней быстро движущийся поток служит частью конструкции для запуска грузов в космос.

Но нагрузки никуда не исчезнут. Они переходят на движущуюся массу, магниты, энергоснабжение и управление. Поток нужно удерживать, контролировать и не давать ему разрушить инфраструктуру. Кроме того, мегаструктуры не обязательно строить ради жилья. Звезду можно превратить в двигатель, как это предложил Леонид Шкадов в 1980-х годах.

Огромный отражатель располагается возле звезды так, чтобы давление излучения уравновешивало ее притяжение. Часть света отражается, излучение от Солнца распределяется несимметрично, и конструкция получает слабую тягу без использования топлива. Что-то вроде паруса.

Но масса Солнца настолько велика, что ускорение оказывается ничтожным. За миллион лет скорость может измениться всего на несколько десятков метров в секунду. До соседней звезды в 4 световых годах от нас на таком транспорте пришлось бы добираться миллионы лет. Для жизни одного человека это бесконечность, но в рамках развития целой цивилизации решение может оказаться перспективным.

Правда, сначала придется создать гигантское зеркало, которое будет достаточно легким и прочным, чтобы не рухнуть под собственной массой и выдерживать излучение. Но даже если все инженерные проблемы решить, человеку будет неуютно в новом доме. На планете горизонт уходит вниз. На кольце поверхность поднимается с обеих сторон и смыкается над головой в гигантскую арку.

Люди, родившиеся внутри кольца, вполне могут воспринимать арку как нечто само собой разумеющееся. А вот Земля с ее выпуклой поверхностью и открытым космосом за горизонтом показалась бы им странным местом.

Есть проблема посерьезнее. На планете жизнь поддерживают природные циклы, а на мегаструктуре многое зависит от оборудования. Нужно контролировать атмосферу, климат, защиту от радиации и работу систем жизнеобеспечения. Если инфраструктура выйдет из строя, последствия могут затронуть целые сегменты кольца.

В «Инженерах Мира-Кольца» (продолжении оригинального романа) Ларри Нивен описывает этап, когда цивилизация создателей исчезла, а современные обитатели пользуются полученными в наследство технологиями, не понимая, как они устроены. Жители сняли с кромки двигатели, удерживавшие кольцо на месте, и поставили их на свои звездолеты. Им было нужнее.