Thuộc địa trên sao Kim

Nó không quá xa vời như bạn nghĩ.

Một bức ảnh đáng yêu về sao Kim từ tàu vũ trụ Akatsuki của Nhật Bản.

Tại sao sao Kim?

Mọi người đam mê thuộc địa không gian đều nhanh chóng đưa ra các khả năng định cư trên Sao Hỏa. Nó có thời kỳ quay giống Trái đất, nhiệt độ hơi giống Trái đất và thậm chí có thể có lịch sử rất giống Trái đất. Sao Hỏa cũng hấp dẫn nhờ lượng nước đá ngầm dồi dào, cả cho tiêu dùng của con người cũng như khả năng phân tách nó thành oxy và hydro để sử dụng làm nguồn nhiên liệu. Sao Hỏa cũng cung cấp nhiều CO2 cho đời sống thực vật, cũng như các miệng hố trên bề mặt để bảo vệ nguyên tố cho các căn cứ của sao Hỏa.

Khi chúng ta hướng ánh mắt về người anh em song sinh độc ác của Trái đất, Sao Kim dường như là nơi cuối cùng mà loài người nên cân nhắc cho một tiền đồn vĩnh viễn. Bầu khí quyển của nó độc hại và dày đặc, bề mặt của nó nóng chảy và khô cằn, và nó không có từ trường không giúp chống lại cơn mưa chết chóc của các hạt tích điện và ánh sáng tia cực tím từ mặt trời. Nhiệt độ trên Sao Kim khẳng định dải băng màu xanh dương cao nhất trong Hệ Mặt trời do hiệu ứng nhà kính tháo chạy tràn lan của hành tinh và áp suất khí quyển trên bề mặt tương đương với một km dưới nước trên Trái đất.

Một hình ảnh thực tế về bề mặt sao Kim được chụp bởi tàu đổ bộ Venera 13 của Nga, nắp ống kính bị vỡ ở phía trước. Sự thật thú vị: bầu không khí của sao Kim dày đặc đến nỗi nó thực sự bẻ cong ánh sáng tới giống như nhìn qua một bể nước, đó là lý do tại sao tất cả các hình ảnh trên bề mặt của Sao Kim đều bị uốn cong.

Nhưng sao Kim nhận được một nguồn tài nguyên quan trọng mà sao Hỏa thiếu: ánh sáng mặt trời. Cung cấp năng lượng cho một thuộc địa liên hành tinh đòi hỏi một lượng sức mạnh khổng lồ. Các RTG phân hạch rất cồng kềnh và nguy hiểm đối với các ứng dụng không gian có người lái và năng lượng nhiệt hạch có thể không thực tế hoặc không thể duy trì ở quy mô liên hành tinh, nhưng năng lượng mặt trời đã được chứng minh là rẻ và đáng tin cậy cho một loạt các ứng dụng không gian. Thêm nữa là năng lượng mặt trời tăng lên gần với mặt trời, khiến việc thực dân sao Kim trở nên thiết thực hơn.

Sao Kim cũng tự hào về những lợi ích thuộc địa khác mà sao Hỏa không thể yêu cầu. Lực hấp dẫn của sao Kim bằng 90% so với Trái đất, đủ mạnh để chống lại tác động của thoái hóa xương và cơ bắp mà các thực dân sao Hỏa phải đối mặt. Hơn nữa, thời gian vận chuyển để đến Sao Kim ngắn hơn gần hai lần so với thời gian vận chuyển đến Sao Hỏa và Sao Kim có số lượng cửa sổ khởi động gấp hai lần để đến đó. Cuối cùng, bầu không khí bão hòa CO2 cao của sao Kim và cường độ mặt trời cao là lý tưởng để thiết lập các vòm sinh học chứa đầy thực vật để sản xuất thực phẩm và oxy cho thực dân.

Khái niệm

Bề mặt của sao Kim có thể không thể giải quyết bằng công nghệ trong tương lai gần, nhưng có thể có một cách khác để dựng lên một khu định cư vĩnh viễn trên sao Kim mà không đặt chân vào địa ngục nóng chảy bên dưới. Theo cùng một cách mà một vật thể ổn định tồn tại trong bầu khí quyển của Trái đất, một thuộc địa của sao Kim có thể hoạt động theo các nguyên tắc tương tự, trôi theo dòng khí quyển cao trên bề mặt nơi có điều kiện giống Trái đất hơn. Một thuộc địa như vậy sẽ có quyền truy cập vào dòng năng lượng mặt trời cung cấp năng lượng từ trên cao trong khi tránh được nhiệt độ và áp lực lớn bên dưới.

Quan niệm của nghệ sĩ về một khu định cư sao Kim chạy bằng năng lượng mặt trời.

Một thuộc địa liên hành tinh nổi cung cấp một số lợi ích hấp dẫn mà một cơ sở cố định có thể không cung cấp. Trong khi một khu định cư cố định được gắn với một tập hợp tọa độ cụ thể, chuyển động của khu định cư nổi sẽ bị chi phối bởi chuyển động của khí quyển. Điều này có nghĩa là ngay cả khi không có đầu vào lực đẩy, một thuộc địa lơ lửng sẽ bao phủ nhiều diện tích đất để nghiên cứu hơn là một khu định cư cố định trong một khung thời gian nhất định. Một khu định cư lơ lửng cũng sẽ có khả năng cơ động dễ dàng đến các địa điểm khác nhau, cả cho mục đích nghiên cứu khoa học cũng như tránh nguy hiểm. Cuối cùng, một khu định cư lơ lửng sẽ không chỉ có khả năng khám phá các trục 'X' và 'Y' của môi trường xung quanh mà còn duy trì tùy chọn thay đổi độ cao theo hướng 'Z'. Một thuộc địa trên sao Hỏa sẽ không có những thứ xa xỉ như vậy.

Thiết kế

Bước đầu tiên trong việc thiết kế một thuộc địa nổi trên sao Kim là quyết định nơi nào trong bầu khí quyển để đặt nó. Chúng tôi muốn đủ cao để nhận được ánh sáng mặt trời thích hợp trong khí quyển, nhưng vẫn đủ thấp để áp lực bên ngoài và nhiệt độ có thể kiểm soát được để thân tàu và các hệ thống con của chúng tôi chịu được. Ở độ cao 50 km, bầu khí quyển sao Kim có các điều kiện giống như Trái đất, với áp suất và nhiệt độ xung quanh 1 bầu khí quyển và 70⁰C (158⁰ F). Mặc dù vẫn bị che khuất trong khói mù của khí quyển, một thuộc địa nổi ở độ cao này sẽ nhận được khoảng 500 Watts / m2, tương đương với cường độ mặt trời truyền vào Trái đất vào một ngày chủ yếu là nắng.

Nhiệt độ và áp lực trong bầu khí quyển của sao Kim. Đường màu đen biểu thị nhiệt độ và áp suất ở độ cao nhất định.

Để một vật thể vẫn ở trên mặt nước trong chất lỏng mà không thay đổi độ cao, mật độ trung bình của nó phải giống với chất lỏng mà nó chìm trong nước. Ví dụ, một chiếc tàu ngầm muốn lặn dưới nước trên Trái đất phải đạt được mật độ trung bình 1 g / cm³; mật độ của nước biển. Tàu ngầm được thiết kế với mật độ trung bình thấp hơn nước biển khi nổi lên và đầy không khí. Tuy nhiên, sử dụng các buồng được thiết kế để lấy nước, các tàu này có khả năng tăng khối lượng mà không thay đổi thể tích của chúng một cách hiệu quả làm tăng mật độ của chúng đủ để lặn bên dưới bề mặt.

Mặc dù khá dày đặc, bầu không khí sao Kim khó khăn hơn nhiều so với nước biển. Nó sẽ cần một cấu trúc rất lớn chứa đầy không khí Trái đất để tồn tại trong những đám mây của Sao Kim, rất khó để vận chuyển đến đó và xây dựng. Thay vào đó, chúng ta có thể thiết kế con tàu thuộc địa của mình giống như một con tàu hợp pháp, với một bộ phận bơm hơi riêng biệt chứa đầy hydro. Không giống như trên Trái đất, bầu khí quyển của sao Kim không chứa oxy, do đó, một cấu trúc chứa đầy hydro gây ra mối đe dọa nhỏ đối với các vụ cháy hoặc nổ. Hơn nữa, hydro có sẵn trong bầu khí quyển của sao Kim. Cấu trúc chứa đầy hydro này sẽ thêm một khối lượng khổng lồ vào tàu với khối lượng rất nhỏ, hạ thấp mật độ tổng thể để phù hợp với bầu khí quyển của sao Kim ở 50 km.

Một thuộc địa sao Kim giả định được tổ chức trên cao bởi một hình xuyến chứa đầy hydro.

Một khu định cư của sao Kim gồm 100 người sẽ cần một loạt tài nguyên để giữ cho cư dân của nó tồn tại. Thuộc địa như vậy phải tự túc, có khả năng cung cấp cho cư dân của mình nước, oxy, thực phẩm, năng lượng và không gian sống mà không cần dựa vào Trái đất để được hỗ trợ. Các đám mây của sao Kim bao gồm axit sulfuric, bao gồm hydro, oxy và lưu huỳnh. Bằng cách thực hiện điện phân trên phân tử độc hại này, chúng ta có thể chia nó thành các thành phần ít gây hại hơn. Các nguyên tử oxy và hydro có thể được tái hợp để tạo thành nước, trong khi lưu huỳnh thải sẽ được đưa trở lại khí quyển.

Oxy và thực phẩm đều có thể được cung cấp bởi các nhà máy, có thể tồn tại dưới ánh sáng mặt trời, chất thải của con người và nước sản xuất của chúng ta. Trong một trong những bài viết trước đây của tôi, Nhà máy Sao Hỏa đầu tiên của chúng tôi, tôi đã thảo luận về những gì sẽ cần để hỗ trợ một nhóm 100 người trên sao Hỏa bằng thực vật. Bằng cách sửa đổi các phương trình này để giải thích cho cường độ ánh sáng mặt trời của sao Kim, tôi đã đi đến kết luận rằng nó sẽ lấy một mái vòm trong suốt có đường kính 50 mét để cung cấp cho 100 thực dân sao Kim đủ cây để đáp ứng tất cả nhu cầu oxy và thực phẩm của họ.

Bây giờ thực dân đòi hỏi quyền lực. Một người trung bình ở Mỹ ngày nay hút 897 kilowatt giờ mỗi tháng để đáp ứng nhu cầu năng lượng của họ. Đối với một cơ sở phụ thuộc vào năng lượng mặt trời, các tấm pin của chúng tôi sẽ cần thu thập trung bình tối thiểu 307 Watts mỗi thực dân, hoặc khoảng 31 kilowatt, để đáp ứng nhu cầu này. Cơ sở sẽ thực sự đòi hỏi nhiều năng lượng hơn mức này cho cả hoạt động tàu thường xuyên cũng như nghiên cứu khoa học, nhưng miễn là tàu đạt được yêu cầu năng lượng này, căn cứ có thể tự duy trì. Đối với các tấm pin mặt trời có hiệu quả nhận được 40% ánh sáng mặt trời qua bầu khí quyển của sao Kim, cơ sở của chúng tôi sẽ cần ít nhất 241 m2 tấm pin mặt trời; lớn hơn một chút so với kích thước của một sân tennis.

Một pin mặt trời Fraunhofer ISE; đầu tiên của loại này để phá vỡ hiệu quả 40%. Mặc dù vẫn còn đắt tiền, những pin mặt trời này cho thấy tiềm năng lớn trong tương lai gần.

Đối với khu nhà ở, mỗi người dân thuộc địa có thể cư trú trong các phòng nhỏ với diện tích sàn khoảng 25 mét vuông (270 ft²); kích thước của một căn hộ studio khiêm tốn. Các phòng này sẽ tồn tại trong một mô-đun phi hành đoàn riêng biệt, được thiết kế dưới dạng hình trụ và được lắp đặt bên dưới mái vòm sinh học thực vật để giữ cho đáy tàu nặng để đảm bảo nó không bị lật trong bầu khí quyển sao Kim hỗn loạn.

Thiết kế của tôi (rất sơ bộ). Mô-đun cư trú được hiển thị từ các chế độ xem 'phía trước' và 'trên cùng' tương ứng.

Trên đây là thiết kế của tôi cho một thuộc địa sao Kim nổi 100 người, chạy bằng năng lượng mặt trời. Các hình xuyến hydro, nếu được cấu tạo từ sợi carbon, có tính toàn vẹn về cấu trúc để di chuyển giữa các độ cao 46 km và 54 km trước khi nổ tung hoặc phát nổ do chênh lệch áp suất. Hai cánh quạt gimballing cung cấp sự khéo léo để điều khiển tàu theo bất kỳ hướng nào dọc theo mặt phẳng 'X-Y', đi vào hướng 'Z' bằng cách hít vào hoặc thở ra bầu khí quyển Sao Kim dày đặc vào các buồng chuyên dụng. Tàu kéo tối đa 160 kilowatt, vượt quá yêu cầu năng lượng tối thiểu của chúng tôi gần 6 lần. Điều này có thể là cần thiết, tuy nhiên, xem xét rằng bầu khí quyển của hành tinh xoay quanh bề mặt 8 ngày một lần, gây ra thời gian 4 ngày đêm cho một thuộc địa nổi. Việc lưu trữ pin đúng cách sẽ cần được trang bị vào thuộc địa để duy trì nguồn điện trong những khoảng thời gian này.

Các vấn đề tiềm ẩn

Những cơn gió mạnh làm dịch bệnh bầu khí quyển trên sao Kim. Những cơn gió này có thể được giảm thiểu bằng cách bay chiến lược dọc theo khu vực xích đạo nơi hai tế bào Hadley của hành tinh gặp nhau. Tuy nhiên, các hiện tượng khác như gió giật và bão không thể dự đoán được. Công nghệ dự báo thời tiết như radar sẽ là cần thiết để cảnh báo thuộc địa của các sự kiện thời tiết lấn chiếm để nó có thể tự điều động phù hợp.

Cắt bỏ bầu khí quyển của sao Kim, làm nổi bật sự lưu thông khí quyển của hành tinh. Đường xích đạo có hoạt động khí quyển ít hơn đáng kể so với phần còn lại của hành tinh, gần giống với khí quyển Doldroms khí quyển trên Trái đất.

Một vấn đề tiềm năng khác là các đám mây axit sulfuric độc hại của sao Kim. Mặc dù hữu ích để chiết xuất nước từ, axit sulfuric có tính ăn mòn cao và sẽ gây ra mối đe dọa nghiêm trọng đối với các thành phần bên ngoài của thuộc địa sao Kim. Các lớp phủ chống axit đặc biệt, chẳng hạn như polytetrafluoroetylen (PTFE), có thể được sử dụng để bảo vệ các thành phần này khỏi bị ăn mòn.

Các nguyên liệu thô như kim loại sẽ cực kỳ khó xuất hiện trong bầu khí quyển của sao Kim. Mặc dù bề mặt được biết là có chứa một số khoáng chất thô hữu ích nhất định, việc khai thác và tinh chế các vật liệu này sẽ khó thực hiện trong môi trường của sao Kim. Thuộc địa có thể tự duy trì khi hoạt động, nhưng nó có thể yêu cầu vận chuyển từ Trái đất cho các phụ tùng thay thế khi các hệ thống con lớn bị hỏng.

Cuối cùng, sự thiếu từ tính của sao Kim đặt ra vấn đề nhỏ về gió mặt trời gia tăng, có thể khắc phục bằng cách che chắn chiến lược khu nhà ở và các thành phần máy tính. Nếu điều này chứng tỏ là không hiệu quả, một từ trường nhân tạo có thể được xây dựng trên quỹ đạo sao Kim cao.

Phần kết luận

Cách đó một trăm triệu km, một hành tinh không quá khác biệt so với Trái đất quay quanh cùng một ngôi sao mà chúng ta mở rèm cho mỗi buổi sáng. Mặc dù bề mặt của sao Kim rất rộng và địa ngục, bầu khí quyển của nó cung cấp một vị trí phù hợp để thiết lập sự hiện diện vĩnh viễn của con người, không phụ thuộc vào tài nguyên của Trái đất. Một khu định cư như vậy có thể cung cấp quyền truy cập vô hạn vào nghiên cứu khoa học của người hàng xóm hành tinh gần nhất của chúng ta, một cơ thể mà chúng ta hiện biết rất ít. Những thuộc địa nổi này có tiềm năng được mở rộng thành các thành phố lớn để hỗ trợ truyền bá dân số của chúng ta về hệ mặt trời để tránh sự hủy diệt của loài chúng ta. Trong nhiều khía cạnh, bầu khí quyển của sao Kim thậm chí có thể phù hợp hơn với việc thuộc địa hơn là các sa mạc lạnh lẽo trên sao Hỏa.

Chỉ có thời gian mới cho biết loài của chúng ta sẽ truyền bá đến đâu trong những thập kỷ tiếp theo. Chúng ta có thể kết thúc trong các đám mây của Sao Kim, các hẻm núi của Sao Hỏa, vùng đồng bằng băng của Europa hoặc các mạch nước phun của Enceladus. Nhưng có một điều chắc chắn; chúng ta bị ràng buộc hướng lên, và bầu không khí của sao Kim lên cao nhất có thể!