شهر سیارکی؛ نظریه‌ای امکان‌پذیر یا ایده‌ای رویاپردازانه؟

سال گذشته، جف بزوس سفری به فضا داشت. این اتفاق در حالی رخ می‌داد که کمابیش در همان زمان، ایلان ماسک میلیاردر شهیر دیگر، هزینه‌ی یک پرواز فضایی برای سرنشین‌های غیرفضانورد (فضانوردان حرفه‌ای و آموزش‌دیده) را تامین کرد. همکاری‌های فضایی بین دولت ایالات متحده و نهادهای خصوصی، از جمله اسپیس ایکس متعلق به ماسک و بلو ارجین متعلق به بزوس، در سال‌های اخیر به‌طور روزافزونی بیشتر شده‌ است. هم‌اکنون با ظهور جنبشی موسوم به «فضای جدید»، شرکت‌های هوافضا در تلاش هستند تا دسترسی کم‌هزینه به فضا را نه صرفا برای میلیاردرها، بلکه برای همه توسعه دهند.

واقعیت این است که بشر برای تصور آینده‌ای فراتر از زمین، به مکان‌هایی برای احداث خانه‌ها، ساختمان‌ها و سایر سازه‌ها‌ی مورد نیاز برای زندگی و کار میلیون‌ها نفر نیاز خواهد داشت. در حال حاضر شهرهای فضایی فقط در داستان‌های علمی تخیلی وجود دارند. پرسش این است که آیا ساخت سکونتگاه انسانی در فضا واقعا امکان‌پذیر است؟ و اگر پاسخ مثبت باشد، چگونه؟

طبق تحقیقات جدید دانشمندان دانشگاه روچستر، این امکان وجود دارد که بخشی از مسیر آینده‌ی ما در سیارک‌ها رقم بخورد. گروهی از پژوهشگران از جمله آدام فرانک، هلن اف و فرد اچ. گوون، پروفسور فیزیک و ستاره‌شناسی و پیتر میکلاوچیچ دانشجوی دکترا در رشته‌ی مهندسی مکانیک و نویسنده‌ی اول مقاله، در مقاله‌ای که به باور نگارندگانش یک «تئوری دیوانه‌وار» است و در ژورنال Frontiers in Astronomy and Space Sciences منتشر شده، طرحی را برای ایجاد شهرهای بزرگ روی سیارک‌ها پیش روی بشریت گذاشته‌اند.

به‌گفته‌ی خود فرانک، مقاله‌ی آنها در مرزی میان دنیای علمی و فضای علمی‌تخیلی قرار دارد. آنها از ایده‌ای علمی‌تخیلی که اخیراً در برنامه‌های تلویزیونی مانند The Expanse آمازون بسیار محبوب شده، بهره برده و مسیر جدیدی را پیرامون استفاده از یک سیارک برای ساخت شهری در فضا ارائه منتشر کرده‌اند.

در سال ۱۹۷۲ ناسا به جرارد اونیل، فیزیکدان مطرح آمریکایی دستوری پیرامون طراحی یک زیستگاه فضایی ابلاغ کرد که به‌طور عملی امکان زندگی برای انسان در فضا را فراهم آورد. اونیل و همکارانش طرحی را در قالب «استوانه اونیل» طراحی کردند که در آن کلان‌شهرهای فضایی متشکل از دو استوانه در جهات مخالف می‌چرخند و یک میله‌ استوانه‌ها را در دو انتها به هم متصل می‌کند. سرعت چرخش استوانه‌ها به‌ آن اندازه‌ای است که برای ایجاد گرانش مصنوعی روی سطح داخلی خودشان کفایت کند؛ از سویی این سرعت به‌اندازه‌ای هم زیاد نیست که افراد ساکن در این سازه‌ دچار بیماری حرکتی شوند.

از آن زمان تا به امروز، نمایش‌ها و فیلم‌های تلویزیونی از جمله پیشتازان فضا و کتاب‌هایی مانند رمان «بازی اندر» اثر اورسون اسکات کارت در سال ۱۹۸۵، زیست‌گاه‌های استوانه‌ای مملو از انسان اونیل را به تصویر کشیده‌اند. هم بزوس و هم ماسک در چشم‌انداز خود برای زیستگاه‌های فضایی آینده به استوانه‌های اونیل اشاره کرده‌اند.

با این حال، در حالی که استوانه‌های اونیل راه‌حلی برای کمبود گرانش فضا ارائه می‌دهند، نباید فراموش کنیم که تهیه و رساندن تجهیزات ساختمانی لازم از زمین به فضا برای ایجاد استوانه‌های اونیل دشوار بوده و‌ هزینه‌ی بالایی خواهد بود.

میکلاوچیچ، فرانک و چندین دانشجوی روچستر در طول همه‌گیری و قرنطینه کووید ۱۹، معمای مطرح پیرامون ایجاد استوانه‌های مقرون به صرفه اونیل را در نظر گرفته و مورد بررسی قرار دادند.

نتیجه‌ی نهایی آن بود که شاید هر یک از آن کوه‌های پرنده‌ی دوار پیرامون خورشید، مسیری سریع‌تر، ارزان‌تر و مؤثرتر برای برای ایجاد شهرهای فضایی هموار سازند. به باور میکلاوچیچ این پروژه در وهله‌ی نخست تنها به‌عنوان راهی برای فیزیکدانان و مهندسان به‌منظور رفع خستگی و کنار گذاشتن استرس‌های زندگی و تصویرپردازی و بررسی پدیده‌ای دیوانه‌کننده آغاز شده بود.

با این حال، آنها بسیار زود و در همان مراحل آغازین بررسی‌هایشان به این نکته پی بردند که شاید دستاوردی خاص در انتهای مسیر نهفته باشد؛ یک پاسخ ارزشمند برای این پرسش که آیا می‌توان از سیارک‌ها برای ایجاد استوانه‌های اونیل استفاده کرد؟

سیارک‌ها اجرام سنگی گردش‌کننده به دور خورشید هستند و از شکل‌گیری منظومه‌ی شمسی در حدود ۴/۶ میلیارد سال پیش باقی مانده‌اند. دانشمندان تخمین می‌زنند که حدود هزار سیارک با قطر ماکزیمم بزرگتر از ۱/۸ کیلومتر در منظومه خورشیدی ما وجود دارند و همانند سیارات اصلی منظومه به دور خورشید در حال حرکت هستند.

فرانک از این مقدمه نتیجه‌گیری می‌کند که «همه‌ی آن کوه‌های پرنده‌ی گردش‌کننده به دور خورشید، ممکن است مسیری سریع‌تر، ارزان‌تر و مؤثرتر برای شهرهای فضایی فراهم کنند».

سیارک‌ها علاوه بر فراوانی در منظومه‌ی شمسی، مزایای بسیار دیگری برای سکونت انسان دارند، از جمله لایه‌های سنگی آنها که سپری طبیعی در برابر تشعشعات مرگبار کیهانی از خورشید ایجاد می‌کنند.

از دیگر سوی، محققان به وجود چندین ایراد عمده در سیارک‌ها پی بردند. طی بررسی‌ها مشخص می‌شود سنگ تشکیل‌دهنده‌ی سیارک‌ها به اندازه‌ای قوی نیست که بتواند حتی گرانش ناشی از چرخشی به میزان یک‌سوم مقدار گرانش زمین را تحمل کند. هنگامی که سیارک در معرض چرخش قرار می‌گرفت، به‌سادگی می‌شکست. علاوه بر این، بیشتر سیارک‌ها نه حتی سنگ‌های جامد نیستند، بلکه به‌تعبیری همانند «تپه‌های خرده‌سنگ» هستند؛ خوشه‌هایی از تخته‌سنگ‌های سست، سنگ‌ها و شن‌ها که توسط گرانش متقابل ضعیف فضا در کنار هم قرار گرفته‌اند. اگر محققان واقعا قصد ساخت زیستگاه‌های فضایی در این سیارک‌ها را داشته باشند، بایستی نحوه‌ی کار با توده‌های خرده‌سنگ را بیابند.

تحقیقات میکلاوچیچ روی سیستم‌های دانه‌ای متمرکز است. منظور از سیستم‌های دانه‌ای، سیستم‌هایی است که از ذرات بسیار ریز تشکیل شده‌اند؛ مانند ماسه یا دانه‌. وی به‌طور خاص، چگونگی واکنش این سیستم‌ها را در محیط‌هایی با گرانش کم یا محیط‌های بدون گرانش مطالعه می‌کند؛ مثلا مطالعه روی این موضوع که کاوشگرهای فضایی چگونه ممکن است به سطوح دانه‌ای سیارات برخورد کرده و آنها را از هم بپاشانند.

میکلاوچیچ می‌گوید: «تحقیق متداول من و این پروژه در دو سر یک طیف قرار دارند. من معمولاً به پاسخ سطح دانه‌‌ای اجرام دانه‌ای علاقه‌مند هستم، در حالی که این پروژه بیشتر یک تمرین تصویری بزرگ برای مدیریت خرده‌سنگ به‌عنوان یک سیستم بزرگ بود».

میکلاوچیچ و همکارانش محاسبات نیروها، مواد و استراتژی‌هایی را برای ساختن سکونتگاه‌های سیارکی در حال چرخش انجام دادند و ایده‌ای را برای مهار خرده‌سنگ‌هایی ارائه دادند که ناگزیر از تشکیل استوانه اونیل از یک سیارک به وجود می‌آمد.

حال می‌خواهیم ببینیم راه حل جایگزین آنها برای ایده‌ی اولیه‌ی اونیل و همکارانش با توجه به ایراداتی که برای آن در بخش‌های قبل برشمردیم چیست؟ پاسخ تک‌خطی در نگاه نخست شاید اندکی عجیب و نامانوس باشد: یک کیسه بسیار بزرگ و انعطاف‌پذیر.

تعبیر کیسه یا bag بنابر توضیحات میکلاوچیچ، یک کیسه محافظ استوانه‌ای ساخته‌شده از نانولوله‌های کربنی نسبت به جرم کلی خرده‌سنگ‌ها و زیستگاه انسانی بسیار سبک خواهد بود؛ اما این سازه به اندازه‌ای قوی است که بتواند همه چیز را کنار هم نگه دارد. در حال حاضر حتی مدل‌هایی بهتر از آن نانولوله‌های کربنی هم در حال توسعه هستند و علاقه‌ی زیادی به افزایش تولید آن‌ها به‌منظور استفاده در کاربردهایی با مقیاس بزرگ‌تر وجود دارد.

فرآیند پیشنهادشده توسط این تیم از نظر تئوری می‌تواند چیزی شبیه به مسیر زیر باشد:

یک: سیارک برای ایجاد گرانش مصنوعی می‌چرخد. این فرآیند به ناچار باعث تجزیه‌ی سیارک می‌شود.

دو: تکه‌های خرده‌سنگ سیارک به سمت بیرون پرتاب می‌شوند و کیسه‌ی نانوالیاف کربنی محصورکننده‌ی سیارک را انبساط می‌دهند.

سه: با رسیدن کیسه‌ به حداکثر اندازه خود یا به اصطلاح بازتر شدن و کش آمدن کیسه، نانوالیاف کربنی محکم شده و خرده سنگ‌های در حال پخش شدن را مهار می‌کنند.

چهار: با نشستن خرده‌سنگ‌ها روی جداره داخلی کیسه، لایه‌ای ایجاد خواهد شد که از ضخامت کافی برای حفاظت از ساکنان داخل کیسه در برابر تشعشعات برخوردار است. چرخش استوانه نیز باعث ایجاد گرانش مصنوعی در سطح داخلی خواهد شد.

فرانک اظهار می‌کند که برپایه‌ی محاسباتشان، یک سیارک با قطر ۳۰۰ متر که تنها چند زمین فوتبال در عرض آن جای می‌گیرد، می‌تواند به یک زیستگاه فضایی استوانه‌ای با مساحت حدود ۵۷۰۰ هکتار گسترش یابد و این مساحت تقریباً با مساحت منطقه منهتن شهر نیویورک برابری می‌کند.

با تمام این تحلیل‌ها و محاسبات ریاضی‌محور، هنوز هم زندگی در سیارک‌ها چیزی در حد همان داستان‌های جذاب علمی‌تخیلی باقی می‌ماند. هرچند فرانک و میکلاوچیچ بر این باورند که فیزیک و مکانیک به وجود آمده‌اند تا داستان‌های علمی‌تخیلی را به واقعیت تبدیل کرده یا اینکه دست کم برای رسیدن به آن تلاش کنند.

البته به‌باور خود فرانک نیز بدیهی است که قرار نیست به این زودی‌ها کسانی سراغ ساخت شهرهای سیارکی بروند؛ اما جان‌مایه‌ی مقاله‌ی آنها تلاش برای یادآوری این نکته است که فناوری‌های مورد نیاز برای انجام چنین نوعی از کارهای مهندسی روی سیارک‌ها، قوانین فیزیک را زیر پا نمی‌گذارند و به‌تعبیری، به‌هیچ عنوان غیرعلمی نیستند.

درواقع همه‌ی پدیده‌ها و بخش‌های متصور در مطالعه‌ی این پژوهشگران، از موتورهای مورد نیاز برای چرخش سیارک گرفته تا کیسه‌ی ساخته‌شده از نانوالیاف کربن، اساسا فناوری هایی هستند که در حال حاضر افرادی در گوشه و کنار دنیا از آنها استفاده می‌کنند؛ شماری از آن موارد نیز اکنون در حال توسعه هستند و در آینده بیشتر از آنها خواهیم شنید.

ایده شهرهای سیارکی ممکن است بسیار دور و ناشدنی به نظر برسد؛ ولی نباید فراموش کنیم که تا پیش از سال ۱۹۰۰ میلادی (تنها ۱۲۲ سال پیش) هیچکس با هواپیما پرواز نکرده بود؛ اما حال در همین لحظه هزاران نفر به‌راحتی روی صندلی‌های خودشان در هواپیماهای مسافرتی نشسته‌اند و با سرعت صدها کیلومتربرساعت، و در ارتفاع چند کیلومتری از سطح زمین در حال هوانوردی هستند. فرانک از همین مثال استدلال می‌کند که شاید ایده‌ی شهرهای فضایی در حال حاضر برای بیشتر مردم، ایده‌ای خیالی به نظر برسند؛ با این حال به گواه تاریخ، طی یک قرن آتی یا بیشتر از آن، این امکان وجود خواهد داشت که پیشرفت فناوری، چیزهایی را ممکن سازد که هم‌اکنون در دنیای ذهنمان ناممکن می‌پنداریم.