Egy nemzetközi kutatócsapat kiszámolta, mekkora területen kellene gazdálkodni egy csillagközi generációs űrhajón, hogy egy több száz fős közösség évtizedeken át egészségesen táplálkozhasson. Az eredmény: egy fél négyzetkilométernyi „mesterséges föld” – ami egy 224 méter sugarú, forgó henger alakú űrállomásban meg is valósítható.
A generációs hajók nagy kérdése
Képzeljük el, hogy emberi közösségeket akarunk más csillagok körül keringő bolygókra juttatni. A legközelebbi ilyen világ, a Proxima Centauri b, több mint négy fényévnyire van – ez mai technológiával több tízezer éves utazást jelentene. Egyetlen emberélet nem elegendő egy ilyen távolság megtételéhez. A megoldás a generációs űrhajó: egy hatalmas jármű, ahol az utazást nem az induló generáció, hanem annak leszármazottai fejezik be. A nagyszülők még a Föld közelében indulnak, az unokák már a célbolygó légkörében szállnak le.
De hogyan lehet egy ilyen zárt rendszerben évszázadokon át életben tartani több száz embert? Az első és legfontosabb kérdés az élelem.
A Nemzetközi Űrállomáson (ISS) egy űrhajós naponta körülbelül 1,8 kilogramm élelmiszert és csomagolást fogyaszt. Ha egy generációs hajó 500 fős legénységének több száz évre elegendő konzervet és fagyasztva szárított ételt vinnénk magunkkal, a rakomány tömege milliós tonnákban mérhető lenne. Ráadásul a hosszú tárolás során a vitaminok elbomlanak, függetlenül a tárolási körülményektől. A megoldás tehát a helyben termelt, friss élelmiszer.
De mekkora terület kell ehhez? Frédéric Marin (Strasbourgi Csillagászati Obszervatórium) és kollégái egy fejlett számítógépes szimulációs kód, a HERITAGE segítségével próbáltak pontos választ adni erre a kérdésre. Eredményeiket az Acta Astronautica szakfolyóiratban publikálták.
Emberek szimulálva – a HERITAGE kód
A HERITAGE egy Monte Carlo-módszeren alapuló program, ami azt jelenti, hogy véletlenszerű események ezreit – születések, halálozások, párválasztások, betegségek – játssza le újra és újra, hogy megbízható statisztikai képet kapjunk. A kutatók előző tanulmányaikban már megállapították, hogy egy generációs hajó legénysége nem lehet kevesebb 98 főnél, különben a beltenyészet és a genetikai hanyatlás elkerülhetetlen. Azt is kimutatták, hogy a nők termékenységi időszakát ki kell terjeszteni a korábban javasolt 30–40 éves kor helyett, hogy a népesség képes legyen felépülni esetleges katasztrófákból.
Most azonban továbbfejlesztették a modellt: beépítették az életkorfüggő termékenységi, vetélési és meddőségi adatokat, valamint a korral változó testmagasságot és testsúlyt. Ez utóbbi azért fontos, mert az emberek napi kalóriaszükséglete nemcsak nemtől és aktivitástól, hanem kortól, magasságtól és testsúlytól is függ.
Az eredmények szerint egy stabil, 400 fő körüli populációban a teherbeesés esélye évi átlagosan 50,5%, a női meddőség 10,7%, a férfi meddőség 4,7%. A vetélések száma évi egy-kettő – ami elenyésző kockázatot jelent a több évszázados út során. A modell egyébként beépített egy „katasztrofális eseményt” is: az utazás 750. évében a legénység 30%-át elpusztító csapást (például egy belső fertőzést vagy sugárzási kitörést), hogy lássák, a populáció képes-e talpra állni.
Kalóriák és krumplik – mennyit eszik egy űrhajós?
Az emberi szervezet alapanyagcseréje (BMR – Basal Metabolic Rate) az a kalóriamennyiség, ami teljes nyugalomban, éppen csak az életfunkciók fenntartásához szükséges. Ezt Harris és Benedict 1918-as képlete, illetve Mifflin és munkatársai 1990-es pontosabb egyenlete alapján számolták. De az űrhajósok nem fekszenek egész nap: a fizikai aktivitás szintjétől (PAL – Physical Activity Level) függően a napi szükséglet a BMR 1,2-szeresétől (ülőmunkát végző ember) akár 2,2-szereséig (nagyon aktív, nehéz fizikai munkát végző vagy olimpiai sportoló) is terjedhet.
A szimulációkban a kutatók négy életmódot vettek alapul:
- Ülő életmód (PAL=1,2) – pl. irányítótermi munkakörök
- Mérsékelten aktív (PAL=1,5) – vegyes irodai és könnyű fizikai munka
- Aktív (PAL=1,75) – rendszeres testmozgás, közepes fizikai munka
- Nagyon aktív (PAL=2,0) – nehéz fizikai munka, sportolók
Az eredmény meglepő: egy nagyon aktív 400 fős populáció éves kalóriaszükséglete mindössze 36%-kal magasabb, mint egy ülő életmódúé. Ez utóbbi esetben az éves kalóriaigény körülbelül 3,57 ± 0,52 × 10⁸ kilokalória. Ez olyan sok, mint 357 millió átlagos csokoládészelet (ha valaki szeretne ezzel számolni). A kutatók azt is megállapították, hogy a kalóriaigény szinte lineárisan nő a legénység létszámával – tehát egy 1000 fős hajóhoz nagyjából kétszer annyi élelem kell, mint 500 főhöz.
Háromféle gazdálkodás – hagyomány, víz vagy köd?
A következő lépés annak meghatározása volt, hogy mekkora területen kell gazdálkodni egy adott kalóriamennyiség előállításához. Három módszert hasonlítottak össze:
1. Hagyományos (geoponikus) mezőgazdaság
Ez a földalapú, intenzív növénytermesztés, műtrágyákkal, növényvédő szerekkel és nehézgépekkel. Hátránya, hogy a talaj kimerül, ezért a terület egyharmadát pihentetni kell (vetésforgó). Az előnye, hogy jól bevált technológia.
2. Hidropónia
A növények nem földben, hanem semleges hordozóközegben (kókuszrost, perlit, agyaggolyók) nőnek, tápoldattal ellátva. A Kennedy Űrközpont kísérletei szerint búzából akár 300%-kal nagyobb hozam érhető el, mint hagyományos módszerrel. Ráadásul nincs évszak, és szabályozható a fény, a hőmérséklet és a CO₂-szint.
3. Aeropónia
A növények gyökereit a levegőben függesztik fel, és tápanyagban gazdag vízködöt permeteznek rájuk. Ez a legmodernebb technika: 99%-kal kevesebb vizet, 50%-kal kevesebb tápanyagot használ, és 45%-kal kevesebb idő alatt termel, mint a hagyományos földművelés. Ráadásul érzéketlen a gravitációra – ami űrben hatalmas előny. Egyes kísérletek szerint burgonyából 277%-kal több gumó termelhető aeropóniával, mint hidropóniával.
A szerzők kiszámolták, hogy egyetlen élelmiszerre – például édesburgonyára – épülő étrend esetén egy 500 fős legénység számára:
- hagyományos gazdálkodással 0,23–0,32 km²,
- hidropóniával 0,042–0,055 km²,
- aeropóniával mindössze 0,012–0,015 km² szükséges.
Ez utóbbi egy 110×110 méteres négyzet – akkora, mint másfél futballpálya. Csakhogy az édesburgonyán élő társadalom hamarosan skorbutban, fehérjehiányban és egyéb betegségekben szenvedne.
A kiegyensúlyozott étrend ára
A brit közegészségügyi hatóság (Public Health England) ajánlása szerint egy egészséges étrend napi szinten a következőkből áll:
- 39% gyümölcs és zöldség
- 37% keményítő (gabona, rizs, burgonya)
- 12% hús és hal
- 8% tejtermék
- 1% olajok és kenhető zsiradékok
- 3% magas só-, cukor- vagy zsírtartalmú ételek
Amikor a kutatók ezt az összetételt vették alapul, a szükséges terület drámaian megnőtt. Az állati termékek (hús, tej, tojás, méz) ugyanis nem „pakolhatók” több szintre, nem termeszthetők aeropóniás toronyban. Egy szarvasmarhának minimum 7–9 négyzetméter élettér kell (és ez még csak a fedett rész, nem a mozgásigénye), egy sertésnek 4,5 m², egy juhnak 2 m², egy pulykának 0,56 m². Ráadásul ezek az állatok maguk is esznek – a takarmányt is meg kell termelni.
A végeredmény egy 500 fős, kiegyensúlyozott étrendet fogyasztó legénység esetén:
- hagyományos gazdálkodás: 1,01 km²
- hidropónia (növények) + hagyományos állattartás: 0,53 km²
- aeropónia (növények) + hagyományos állattartás: 0,45 km²
Ez utóbbi szám – 0,45 négyzetkilométer – a tanulmány legfontosabb eredménye. Érdekes módon pontosan megegyezik a FAO (ENSZ Élelmezésügyi és Mezőgazdasági Szervezete) által egy földi ember számára szükséges minimális mezőgazdasági területtel (0,5 hektár/fő – itt 500 főre 0,45 km² = 45 hektár, azaz 0,09 hektár/fő – a különbség a fejlett technológiának köszönhető).
Mekkora legyen hát a hajó?
A 0,45 km² mezőgazdasági területet el kell helyezni az űrhajóban. De itt jön egy csavar: az emberek és állatok nem élhetnek sokáig súlytalanságban. A csontok 1%-ot veszítenek sűrűségükből havonta – ez tízszer gyorsabb, mint a földi idősek csontritkulása. Az izmok sorvadnak, a szív gyengül, és nő a rák kockázata. A megoldás a mesterséges gravitáció: egy forgó henger alakú űrállomás, ahol a centripetális erő „kint tartja” az embereket a falon.
A forgásnak azonban vannak kellemetlen határai. Ha túl gyorsan forog (3 fordulat/perc felett), az űrhajósok szédülnek, hányingert kapnak. Ha túl kicsi a sugár, a fejük és a lábuk közötti gravitációkülönbség zavaró. A kompromisszum az, hogy a hajó sugarának elég nagynak kell lennie, a forgási sebességnek pedig 2–3 fordulat/perc körül kell lennie.
A számítások szerint egy 1g (földi gravitáció) mesterséges gravitációt biztosító henger alakú hajó esetén, ahol a mezőgazdasági terület a henger palástján helyezkedik el, a sugárnak 224 méternek, a hossznak pedig 320 méternek kell lennie. Ez körülbelül akkora, mint két egymás mellett álló, 110 emeletes felhőkarcoló. Ha a növények megelégednek kisebb gravitációval (például 0,5g), akkor a hajó hossza akár 25 méterre is csökkenhet – ilyenkor több szinten, különböző sugarú körökben helyezik el a termesztőket.
A hajó persze nem csak mezőgazdaságból áll: kell lakótér, vezérlőterem, energiaellátás, hajtóművek, üzemanyag. Ezek méretezését a jövőbeli tanulmányokra hagyták.
Víz, rovarok és a pszichológiai fal
Az élelem mellett a víz is kritikus. Egy átlagos férfinak napi 3,7 liter, egy nőnek 2,7 liter folyadékra van szüksége – bár ennek 20%-a az élelmiszerből származik. Egy 500 fős, nemek szerint kiegyensúlyozott legénység éves vízszükséglete körülbelül 468 000 liter, ami 468 köbméter tárolótér. Az ISS-en már működik vizeszklózás (vizelet, izzadság, kilélegzett pára újrahasznosítása), de a rendszer nem 100%-os hatásfokú – némi víz mindig elvész. A legjobb megoldás az lenne, ha a hajó útja során üstökösökből vagy aszteroidákból pótolnák a vizet, legalábbis a Naprendszer elhagyásáig.
Ami az állati fehérjét illeti, van egy alternatíva: a rovarok. Egy 2013-as thaiföldi tanulmány szerint évente 7500 tonna rovart termelnek emberi fogyasztásra. A lisztkukacok fehérjetartalma magasabb, mint a csirkéé, a sertésé vagy a marháé. A szerzők egy korábbi cikkükben kiszámolták, hogy egy 160 fős legénység napi fehérjeszükségletét napi 160 000 lisztkukac elfogyasztásával lehetne fedezni. A rovarok emellett javítják a biodiverzitást, regenerálják a talajt, lebontják a szerves hulladékot és trágyát adnak. Egyetlen bökkenő van: a legtöbb ember számára pszichológiai akadályt jelent a rovarevés. Az űrkorszak talán majd áthidalja ezt a gondot.
Hová tartunk innen?
A HERITAGE kód fejlesztése nem áll le. A következő lépés a populációgenetika és a mutációk beépítése a modellbe. Hogyan változik a génállomány több száz év alatt? Milyen új, alkalmazkodást segítő vagy éppen káros mutációk jelenhetnek meg? És mi történik, ha a hajó eltér a tervezett útvonaltól, vagy ha a telepesek leszálláskor olyan bolygóra érkeznek, ahol teljesen más a gravitáció, a légkör vagy a sugárzási szint?
A generációs űrhajók még nem épülnek – de a szimulációk egyre pontosabb képet adnak arról, hogy ha egyszer mégis úgy döntünk, hogy csillagok közé indulunk, akkor milyen hajóra, mekkora földterületre és hány lisztkukacra lesz szükségünk. A válasz: egy 224 méter sugarú forgó hengerre, fél négyzetkilométernyi aeropóniás farmra, és egy adag bátorságra – hogy túllépjünk a konzervkaján és a rovarundoron. Az unokáink talán megköszönik.
Forrás: Marin, F., Belluf, C., Taylor, R. & Grau, L. (2019). Numerical constraints on the size of generation ships from total energy expenditure on board, annual food production and space farming techniques. Acta Astronautica, előközlés (arXiv:1901.09542).