برای سفر در میان ستارگان، به چه فضاپیمایی نیاز خواهیم داشت؟

در نوشتار پیشین با نام «سفر در میان ستارگان؛ آیا ما برای ترک زمین آماده‌ایم؟» این موضوع را بررسی کردیم که برای تحقق سفرهایی طولانی و بدون‌بازگشت به اعماق فضا، ما به چه دستاوردهای فناورانه‌ای روی زمین نیاز خواهیم داشت. در این نوشتار می‌خواهیم یکی از مسائل عملی پیش‌رو در برنامه‌ریزی چنین سفری را با دقت بیشتری موشکافی کنیم: ابعاد فضاپیمای موردنیاز.

شکی نیست که جهان ما یک مکان به‌غایت بزرگ است و امروزه ما به‌‌لطف محدودیت‌های کشف‌شده به‌‌واسطه‌‌ی علم نسبیت خاص می‌‌دانیم که سفر به نزدیک‌ترین سیستم‌های ستاره‌ای مجاور، هزاران سال زمان خواهد برد. برآورد می‌‌شود که سفر به نزدیک‌ترین سیستم ستاره‌ای (آلفا قنطورس) با استفاده از تجهیزات فعلی می‌‌تواند بین ۱۹ هزار تا ۸۱ هزار سال طول بکشد. پس بیهوده نیست که بسیاری از نظریه‌پردازان توصیه می‌‌کنند که بشریت باید برای انجام چنین سفرهایی از «فضاپیما‌های چندنسلی» بهره ببرد تا بتواند نژاد خود را در سایر نقاط فضای میان‌‌ستار‌‌ه‌‌ای توسعه دهد. طبیعتا، چنین پروژه‌ای چالش‌های زیادی را دربرخواهد داشت که کم‌‌ترین آن شاید تعیین ابعاد فضاپیمایی باشد که قرار است چندین نسل انسان را با خود به اعماق فضای بی‌‌کران ببرد.

در یک مطالعه‌‌ی تازه، دانشمندان جهان این پرسش واقعی را مطرح کرده‌‌اند و در پاسخ گفته‌‌اند میزان فضای داخلی چنین سفینه‌‌ای احتمالا باید چقدر باشد.

فردریک مارین از رصدخانه‌‌ی اخترشناسی استراسبورگ و کامیل بلوفی، فیزیکدان ذره به‌‌همراه یک شرکت نوپای علمی به نام Casc4de انجام این مطالعه را به‌‌عهده داشتند. در ادامه نیز ریس تیلور از مؤسسه‌‌ی اخترشناسی  آکادمی علوم جمهوری چک و لوییگ گراو از شرکت مهندسی ساخت Morphosense نیز به جمع پژوهشگران این مطالعه پیوستند.

این مطالعه در حقیقت ‌‌آخرین مورد انجام‌‌شده از مجموعه مطالعاتی است که ازسوی مارین و بلوفی باهدف بررسی چالش‌های اعزام یک فضاپیمای چندنسلی به یک سیستم ستاره‌‌ای دیگر انجام می‌‌گیرد. در یکی از مطالعات قبلی، آن‌ها به این موضوع پرداخته بودند که حداقل ابعاد یک فضاپیمای چندنسلی باهدف سالم رساندن مسافران خود به مقاصد دوردست چقدر باید باشد.

آن‌ها این کار را با کمک یک نرم‌افزار کد عددی سفارشی با نام HERTITAGE (به‌‌معنی میراث) انجام دادند که توسط خود مارین ساخته شده بود. مارین در توصیف این نرم‌‌افزار می‌‌گوید که HERITAGE درواقع یک کد تصادفی مونت کارلو است که همه‌‌ی نتایج احتمالی ناشی از شبیه‌سازی فضایی را با آزمایش تک‌‌تک سناریوهای تصادفی مربوط‌‌به زاد‌‌و‌‌ولد، زندگی و مرگ در نظر می‌‌گیرد.

آن‌ها چنین تحلیلی می‌‌کنند که حداقل به ۹۸ نفر برای انجام یک مأموریت چندنسلی به‌‌مقصد یک سیستم ستاره‌‌ای دیگر نیاز خواهد بود تا ریسک اختلالات ژنتیکی و دیگر اثرات منفی مرتبط با ازدواج‌‌های داخلی به حداقل برسد. در خلال این مطالعه، تیم به یک پرسش مهم دیگر در ارتباط‌‌با نحوه‌‌ی تغذیه‌ی افراد نیز پرداخت.

با درنظرگرفتن ریسک فساد مواد غذایی خشک طی این سفر طولانی، تکیه بر این نوع منبع غذایی قطعا یک گزینه‌‌ی عملی محسوب نخواهد شد؛ بنابراین سفینه و خدمه‌‌ی آن باید آمادگی کشت محصولات غذایی خود را در حین سفر داشته باشند.

مارین بر این باور است که در موضوعی مانند سفر فضایی، یکی از مهم‌‌ترین مسائل پیش‌‌رو، ابعاد چنینی فضاپیمایی است:

هرچه یک ماهواره سنگین‌تر باشد، پرتاب آن به فضا پرهزینه‌‌تر خواهد بود. پس می‌‌توان انتظار داشت فضاپیمای بزرگ‌‌تر و سنگین‌‌تر نیز به‌‌معنای سیستم پیشرانه‌‌ی پیچیده‌‌تر و پرهزینه‌‌تر باشد. در حقیقت، ابعاد سفینه‌‌ی فضایی بسیاری از پارامترهای دیگر را محدود خواهد کرد. درمورد یک کشتی فضایی چندنسلی باید گفت مقدار غذایی که ما می‌توانیم تولید کنیم، به‌‌طور مستقیم تحت تاثیر وسعت فضای داخلی سفینه خواهد بود. این فضا نیز به‌نوبه‌ی خود وابسته به میزان جمعیت سرنشینان است. ابعاد، تولید غذا و جمعیت درحقیقت به‌طور ذاتی به یکدیگر وابسته هستند.

علاوه‌‌بر این، تیم همچنین نیازهای کالری خدمه را نیز در نظر گرفت تا به برآوردی دقیق درمورد میزان غذای موردنیاز در هر سال دست یابد. آن‌ها در شبیه‌‌سازی‌‌های خود همچنین از داده‌های انسانی برای تعیین میزان کالری موردنیاز براساس سن، وزن، قد، سطح فعالیت و دیگر داده‌های پزشکی سرنشینان بهره بردند. پژوهشگران می‌‌گویند:

با استفاده از معادله‌‌ی هریس-بندیکت در تخمین نرخ متابولیک پایه‌‌ی افراد، ما ارزیابی کردیم که هر فرد چند کیلو کالری در هر روز باید مصرف کند تا وزن ایده‌آل بدنش حفظ شود. ما تغییرات وزن و قد افراد را برای یک جمعیت واقعی از افراد با ویژگی‌های مختلفی نظیر چاقی و لاغری و نیز بلندقامتی یا کوتاه‌‌قامتی در نظر گرفتیم. هنگامی‌‌که این الزامات کالری محاسبه شد، ما توانستیم محاسبه کنیم که سالیانه چقدر مواد غذایی می‌‌توان از روش‌‌های کشت ژئوپونیک، هیدروپونیک و آئروپونیک در هر کیلومترمربع زمین برداشت کرد.

سپس پژوهشگران مبنای محاسبات کلی خود را روی یک گروه نسبتا بزرگ (۵۰۰ نفری) قرار دادند و یک شمای کلی از نیازهای فعلی را ترسیم کردند. همان‌‌طور که مارین توضیح می‌‌دهد:

ما دریافتیم که برای یک جمعیت ناهمگون ۵۰۰ نفره از پرسنل که دارای یک رژیم غذایی متعادل و مبتنی‌‌بر همه‌‌چیزخواری هستند، ۰.۴۵ کیلومترمربع زمین مصنوعی موردنیاز خواهد بود تا در آن از ترکیبی از آئروپونیک (برای کشت میوه‌ها، سبزیجات، نشاسته، شکر و روغن) و کشاورزی سنتی (برای گوشت، ماهی، لبنیات و عسل) برای تأمین مواد غذایی استفاده شود.

این محاسبات همچنین برخی از محدودیت‌های معماری را برای حداقل ابعاد خود کشتی فضایی مطرح می‌‌کند. با فرض اینکه فضاپیما برای تولید گرانش مصنوعی از نیروی گریزازمرکز بهره ببرد(یعنی ساختاری مانند یک استوانه‌‌ی دوار)، نیاز به سفینه‌‌ای با حداقل ۲۲۴ متر شعاع و ۳۲۰ متر طول نیاز خواهیم داشت. مارین می‌‌افزاید:

البته به‌‌غیر از کشاورزی به تسهیلات دیگری نظیر محل اسکان، اتاق‌های کنترل، مولد برق، جرم واکنشی و موتورهای واکنشی نیز نیاز داریم که این ابعاد سفینه‌‌ی فضایی را حداقل دو برابر بزرگ‌تر خواهد ساخت. جالب اینجا است که حتی اگر طول سفینه‌‌ی فضایی را دو برابر کنیم، به سازه‌‌ای خواهیم رسید که هنوز هم از بلندترین برج جهان-یعنی برج خلیفه باارتفاع ۸۲۸ متر، کوچک‌‌تر است.

این مطالعه برای طرفداران اکتشافات فضای بین‌‌ستاره‌ای و طراحان مأموریت‌‌های فضایی بسیار حائز اهمیت است؛ چراکه در آن تصویری روشن از معماری کلی یک فضاپیمای چندنسلی ارائه شده است. درکنار گزاره‌‌های نظری، این مطالعات اعداد و ارقامی کاملا واقعی را ارائه داده‌‌اند که روزی ممکن است به‌‌کار دانشمندان آید. همان‌‌طور که مارین توضیح می‌‌دهد این پروژه به‌‌ظاهر بزرگ می‌‌تواند بیش‌‌تر از آنچه فکر می‌‌کردیم، قابلیت اجرایی داشته باشد:

این پژوهش به ما بینشی درمورد امکان ساخت سفینه‌‌های چندنسلی می‌دهد. ما هم‌‌اکنون نیز قادر هستیم چنین سازه‌های بزرگی را اینجا روی زمین بسازیم. درحال‌‌حاضر، ما با دقت بالایی میزان مساحت موردنیاز برای کشاورزی در این سفینه‌‌های بزرگ را محاسبه کرده‌‌ایم؛ به‌‌گونه‌‌ای که امکان تغذیه‌‌ی مردم در طول سفرهای چندسده‌‌ای فراهم باشد.

مارین می‌‌گوید که این قضیه احتمالا موضوع بعدی موضوع مطالعه‌‌ی آن‌ها خواهد بود:

در اعماق فضا (دور از سیارات، اقمار و خرده سیاره‌ها)، جمع‌آوری آب ممکن است بسیار دشوار باشد. بنابراین، ممکن است روی عرشه با مشکل کمبود آب مواجه شویم. ما باید پژوهش‌‌های آینده‌‌ی خود را به حل این معضل اختصاص دهیم.

مشابه با تمامی دیگر مسائل مطرح درزمینه‌‌ی اکتشافات فضایی دور، اگر بخواهیم پاسخی برای این پرسش بیابیم که «آیا واقعا انجام این سفر انجام‌‌پذیر است؟» باید باز هم بگوییم که پاسخ به این بستگی دارد که چقدر می‌‌خواهیم هزینه کنیم.

شکی نیست که انجام یک مأموریت میان‌‌ستاره‌ای (فارغ از نحوه‌‌ی انجام آن)، نیازمند اختصاص دادن مقادیر عظیمی از زمان، انرژی و منابع خواهد بود.

این امر همچنین مستلزم آن است که مردم حاضر به ریسک بر سر جان خود نیز باشند؛ بنابراین چنینی سفری عرصه‌‌ای است که تنها افراد ماجراجو قدم در آن خواهند نهاد؛ اما شاید باید پذیرفت که بیش از هرچیز دیگری، ما نیاز به انگیزه و اراده‌‌ی کافی خواهیم داشت. بدون احساس ضرورت یا نیاز شدید (در موقع بحران)، به‌‌سختی می‌توان تصور کرد که چنین عزمی در نسل ما ایجاد شود.

بااین‌حال، آگاهی از اینکه آغاز چنین پروژه‌ای به چه میزان صرف زمان، پول و منابع نیاز خواهد داشت، سنگ‌‌بنای اولیه‌‌ی کار است. تنها پس از گذر از این مرحله، بشر می‌‌تواند تصمیمی بگیرد که آیا حاضر به خروج از سرزمین مادری خود خواهد بود یا خیر. بشر پیش‌تر نیز نشان داده است که شجاعت کافی را برای ترک موطن خود و سفر تا فتح سرزمین‌های دوردست و ناشناخته دارد؛ کسی چه می‌داند آن روز که نفس ما «ناباوران» بر این سیاره‌ی داغ و لم‌یزرع به شماره می‌افتد، نوادگان ماجراجویان نسل کریستف کلمب‌، در رویای یافتن هندوستان‌های جدید، چه اَبَرتمدن‌های تازه‌ای را برپا خواهند کرد؟