Úticél: a csillagok. De miből fogunk lélegezni?

Hogyan tartsunk életben ezer embert egy évszázadokon átívelő űrutazás során? A válasz nemcsak a mérnöki tudományokban, hanem a biológia és a matematika határvidékén keresendő.

Képzeljük el a jövőt: az emberiség útnak indítja első csillagközi bárkáját, egy hatalmas, generációs űrhajót, amely a legközelebbi lakható exobolygó felé tart. Az utazás nem hónapokig vagy évekig, hanem évszázadokig tart. Akik a Földön felszállnak, sosem fogják látni az új világot, és akik megérkeznek, sosem ismerték a Földet. Ez a tudományos-fantasztikus irodalom egyik legkedveltebb toposza. De ha a romantikát félretesszük, és mérnöki szemmel nézzük a feladatot, azonnal szembesülünk egy brutálisan gyakorlatias problémával: miből fognak ezek az emberek enni, inni, és ami a legfontosabb, lélegezni?

A Frédéric Marin és Camille Beluffi által jegyzett, a Strasbourgi Egyetem Csillagászati Obszervatóriumában készült legújabb kutatás pontosan ezt a kérdést boncolgatja. A kutatók nem elégedtek meg a sci-fi írók nagyvonalú becsléseivel; kőkemény matematikát, statisztikát és orvosi adatokat használtak fel, hogy kiszámolják: mi kell egy többgenerációs űrutazás túléléséhez.

Az űr hideg, sötét, és nincsenek benne benzinkutak

Hogy megértsük a kihívás mértékét, a kutatók egy történelmi példához nyúltak vissza. Vegyük a Clairon et Reine nevű francia kereskedelmi hajót, amely 1827 és 1836 között szállított árut Marseille és a törökországi Szmirna (a mai Izmir) között. A hajó 10 fős legénységének a kemény fizikai munka miatt napi 4200 kalóriára volt szüksége fejenként, amit kenyérből, húsból, halból és zöldségekből fedeztek, kísérve több ezer liter alkohollal és vízzel, amit már az induláskor be kellett tárazni. Ezek a tengeri utazások mindössze hetekig vagy hónapokig tartottak, az élelem mégis hamar romlásnak indult.

Most szorozzuk fel ezt a problémát évszázadokkal, ezer emberrel, és tegyük be őket a világűr fagyos vákuumába, ahol nem lehet út közben halat fogni, vagy beugrani egy kikötőbe friss vízért. Ráadásul az űrben nemcsak az étel és az ital fogy el, hanem a levegő is.

Vajon vihetünk-e magunkkal mindent a Földről? A válasz egyértelmű nem. Egy évszázadokig tartó utazáshoz annyi oxigént, vizet és élelmet kellene raktározni, ami elképesztő, irracionális méretűvé tenné az űrhajót, nem beszélve a kilövéshez szükséges üzemanyag-költségekről. A víz ráadásul az idő múlásával megromlik – ha évtizedekig tároljuk, elkerülhetetlenül elszaporodnak benne a kórokozó baktériumok, például a legionella. Az egyetlen járható út a zárt, önfenntartó ökológiai rendszer: mindent helyben kell előállítani és újrahasznosítani.

A HERITAGE: Egy egész társadalom a mikroszkóp alatt

Hogy pontos számokat kapjanak, Marin és Beluffi egy saját fejlesztésű számítógépes szimulációt, a HERITAGE-t (Örökség) használták. Ez egy úgynevezett ügynökalapú Monte Carlo modell.

Mit jelent ez a laikusok számára? Képzeljük el a játékszoftverekből ismert The Sims-et, de extrém tudományos pontossággal. A programban minden egyes űrutazó (ügynök) saját, egyedi paraméterekkel rendelkezik: van kora, neme, testmagassága, testsúlya, genetikája és termékenységi mutatója. Ezek az emberek a szimuláció során öregszenek, esznek, isznak, szaporodnak (a beltenyészetet szigorúan tiltó algoritmusok mellett) és végül meghalnak. A "Monte Carlo" jelző pedig arra utal, hogy a program a véletlenszerű eseményeket (például egy balesetet vagy betegséget) sok ezerszer, „kockadobásokkal” szimulálja le, hogy a legvalószínűbb statisztikai átlagot kapja meg.

Eddig a mérnökök, amikor az űrbéli életfenntartó rendszereket tervezték (mint amilyen a Nemzetközi Űrállomáson, az ISS-en is működik), abból indultak ki, hogy a legénység erejük teljében lévő, fitt, felnőtt űrhajósokból áll. Egy generációs űrhajón azonban a társadalom vegyes: vannak újszülöttek, növésben lévő tinédzserek, várandós anyák és inaktív idősek. A HERITAGE az ő biológiai sokszínűségüket is figyelembe veszi, amikor kiszámolja a fogyasztást.

Lélegzetvételről lélegzetvételre: Az oxigén ára

Mennyi levegő kell egy embernek? Bár triviálisnak tűnik, a válasz összetett. A nyugalmi oxigénfogyasztást a biológiában az úgynevezett Brody-egyenlettel szokás becsülni, amely meglepő módon szinte alig függ az ember magasságától vagy nemétől, sokkal inkább a testsúlyától.

A szimuláció egy 600 éves űrutazást vett górcső alá. A kezdeti legénység 500 főből állt (vegyesen 250 férfi és 250 nő, átlagosan 30 évesek). A populáció hamar elkezdett növekedni, egészen addig, míg el nem érték az űrhajó biztonsági limitjét, az 1200 fős maximum 90%-át (nagyjából 1080-1100 főt). Ekkor a szimulált társadalom "szociális mérnöki" szabályozásba kezdett: korlátozták a születések számát a túlnépesedés elkerülése végett.

Ezen az 1100 fős átlagos populációs szinten a számítógép megdöbbentő eredményt dobott ki: évente 180 millió liter tiszta oxigénre van szükség a legénység életben tartásához.

Azonban mi nem tiszta oxigént lélegzünk be (az mérgező és rendkívül tűzveszélyes lenne), hanem földi levegőt, amelynek közel 78%-a nitrogén. Ha a Föld légkörét akarjuk szimulálni, a 180 millió liter oxigén mellé évente további 670 millió liter nitrogént kell biztosítanunk. Hogy el tudjuk képzelni ezt a volument: csak a gázok egyéves tárolásához egy 350 méter hosszú, 60 méter átmérőjű, gigantikus tartályra lenne szükség. És ez csak a gázok raktára lenne, egyetlen évre!

A víz az úr – még a mélyűrben is

A víz a testünk legnagyobb alkotóeleme, hiánya gyors kiszáradáshoz, halálhoz vezet. A napi folyadékszükséglet meghatározásához a kutatók az amerikai Nemzeti Kutatási Tanács (NRC) egyenleteit építették be a kódba, amely figyelembe veszi az egyén életkorát, nemét, súlyát és a fizikai aktivitás szintjét.

Ám van egy kritikus tényező: a hőmérséklet. Ahogy melegszik a levegő, az ember izzadni kezd, ami drasztikusan megnöveli a vízigényt. A kutatók ezért egy, az amerikai hadsereg által kifejlesztett hőmérséklet-korrekciós modellt is beépítettek a szimulációba. Ha az űrhajó belső hőmérsékletét 18 és 21 Celsius-fok között tartják, a körülbelül 1100 fős lakosságnak évente 1,1 millió liter vízre van szüksége a puszta hidratáláshoz.

Ez a mennyiség (bár gigantikusnak hangzik) űrhajós mércével még kezelhető: egy nagyjából 35 méter hosszú és 6 méter széles hengeres tartályban elférne. A kutatók rámutatnak, hogy a vizet érdemes lenne az űrhajó külső páncélzatán tárolni, ahol a mélyűr extrém hidegében (-173 °C) azonnal tömör jéggé fagyna. Így nemcsak, hogy nem romlana meg (a baktériumok nem szaporodnak ezen a hőfokon), de tökéletes pajzsként szolgálna a kozmikus sugárzás és a mikrometeoritok ellen.

Túlélés a katasztrófák árnyékában

A legérdekesebb része a HERITAGE szimulációnak, amikor a kutatók elkezdték "kínozni" a virtuális utasaikat. Egy 600 éves utazás során kizárt, hogy minden simán menjen. A programba beépítettek egy véletlenszerű "káosz-faktort", amely évente a lakosság 0,1%-át megölte balesetekben vagy hirtelen betegségekben.

Sőt, három gigantikus katasztrófát is rászabadítottak a hajóra:

• A 191. évben egy rejtélyes kór a populáció 20%-át elpusztította.
• A 350. évben egy Black Death (Fekete Halál) szintű járvány a legénység 30%-ával végzett.
• A 490. évben egy újabb csapás 17%-os veszteséget okozott (hasonlóan az 1918-as spanyolnáthához).

Az eredmény? Az emberi faj elképesztő rugalmasságról tett tanúbizonyságot. A populáció mindhárom katasztrofális esemény után viszonylag gyorsan (néhány évtized alatt) regenerálódott, visszatért az optimális szintre, és a küldetés sikerességi rátája – 100 szimulált lefuttatás átlagában – 100%-os maradt. Az emberiség tehát, ha van elég erőforrása, szinte elpusztíthatatlan.

Újrahasznosítás vagy aszteroidabányászat?

Láttuk tehát a számokat: hatalmas mennyiségű levegő és víz kell. Mivel nem vihetjük magunkkal, logikus kérdés merül fel: mi lenne, ha útközben vennénk fel? A Naprendszer tele van vízjégből álló üstökösökkel és aszteroidákkal.

Marin és Beluffi hamar eloszlatja ezt a sci-fi ábrándot. Ha az űrhajó elhagyja a Naprendszer síkját, a találkozás esélye egy üstökössel egyenlő a nullával. A csillagközi tér (a mélyűr) annyira üres, hogy aszteroidákat bányászni vízért teljesen reménytelen vállalkozás lenne. Ráadásul egy iszonyatos sebességgel száguldó űrhajót hozzáigazítani egy üstökös pályájához technológiai rémálom.

Marad az újrahasznosítás és a helybeni előállítás. A jelenlegi űrállomásokon, mint a Nemzetközi Űrállomás (ISS), az emberiség már alkalmaz lenyűgöző technológiákat. Az egyik ilyen az elektrolízis, amellyel a vizet áram segítségével oxigénre és hidrogénre bontják (így csinálnak levegőt a vízmolekulákból). A másik egy igazi kémiai varázslat, a Sabatier-reakció. Képzeljük el: az űrhajósok kilélegzik a szén-dioxidot. Ezt a gázt magas (300-400 °C) hőmérsékleten, egy nikkel katalizátor segítségével reakcióba léptetik az elektrolízis során megmaradt hidrogénnel. Az eredmény? Metángáz és tiszta víz! A vizet megisszák (vagy újra oxigént csinálnak belőle), a metánt pedig akár az űrhajó hajtóanyagaként is fel lehet használni.

De van egy bökkenő. Ezek a rendszerek nem 100%-os hatékonyságúak. Az ISS-en a NASA szuperfejlett víz-újrahasznosító rendszere is csak az izzadtság és a vizelet 95%-át képes visszanyerni. A maradék 5% elvész (például használhatatlan sóoldatként, vagy kiszivárog a zsilipeken). Egy hónapokig tartó küldetésnél a Földről pótolják a hiányt teherűrhajókkal. Egy Proxima Centauri felé tartó űrbárkán ez nem opció.

Visszatérés a természethez: A Bioszféra-megoldás

Mivel a gépek sosem lesznek tökéletesek, a kutatók szerint a végső megoldás az, ha a Földet visszük magunkkal. A legbiztosabb újrahasznosító rendszer ugyanis az, amit a természet már évmilliárdok óta tesztel: a biológiai ökoszisztéma.

Az űrhajón gigantikus, hidroponikus (talaj nélküli, tápfolyadékos) és aeroponikus (ködösített tápanyaggal működő) farmokat kell létesíteni. A növények magukba szívják a kilélegzett szén-dioxidot, oxigént bocsátanak ki, ráadásul élelmet adnak. Kisebb léptékben ezt már próbálgatjuk: a kínai Chang'e-4 holdszonda 2019-ben sikeresen csíráztatott gyapotmagokat a Hold túlsó oldalán egy apró, zárt bioszféra-dobozban (bár a kísérlet a fűtésszabályozás meghibásodása miatt hamar véget ért).

Földi körülmények között a hírhedt Bioszféra 2 kísérlet (amely a kilencvenes években egy gigantikus üvegkupolába zárva próbált fenntartani egy zárt ökoszisztémát) rámutatott, hogy egy tökéletes egyensúlyú biológiai rendszer megalkotása borzalmasan nehéz. Az oxigénszint esett, a növények egy része elpusztult, a rovarok elszaporodtak. Mégis, a többgenerációs űrutazáshoz vezető út elkerülhetetlenül ilyen, hatalmas agrár-modulokon keresztül vezet. A számítások szerint a gépi kémiai folyamatokat (mint a Sabatier-reakció) és a hatalmas fedélzeti kerteket szimbiózisban kell működtetni ahhoz, hogy a rendszerből évszázadokig ne vesszen el egyetlen csepp víz vagy egyetlen molekula oxigén sem.

A következő lépés a végtelenbe

Frédéric Marin és Camille Beluffi kutatása nem pusztán száraz adatok halmaza. Egy olyan ablak, amelyen át bepillanthatunk az emberiség jövőjébe. Rávilágít, hogy a csillagközi utazás nem csupán a térhajtóművek és a sugárpajzsok problémája. Ugyanolyan mértékben múlik az emberi test anatómiáján, az izzadságcseppjeink újrahasznosításán, és a statisztikai genetikán.

A 180 millió liter oxigén és az 1,1 millió liter víz éves szinten hatalmas kihívás elé állítja az űrmérnököket. Most, hogy a HERITAGE kód megadta a pontos biológiai peremfeltételeket, a feladat átkerül a tervezőasztalokra. Ahogy hajdanán a Clairon et Reine matrózai nekivágtak a végtelen tengernek gondosan kiszámolt bor- és kenyérfejadagjaikkal, úgy fognak a jövő csillagutazói is a mélyűrbe indulni – de ők a Föld teljes körforgását magukkal viszik egy lezárt acélhengerben. És a szimulációk szerint, ha jól csináljuk, az emberiség élni és virágozni fog a csillagok között is.