Cilindro O'Neill e esfera de Dyson: megaestruturas para colonizar o espaço?

Kalpana One, uma versão moderna e um pouco mais realista do Cilindro O'Neill © Bryan Versteeg
No cosmos, tudo tem um começo e um fim. Da gênese à conclusão, sobre a qual não sabemos quase nada, as estrelas seguem seu ciclo de vida, da nuvem molecular ao buraco negro para os mais massivos, e nosso Sol obviamente não está isento desse fim programado.
Admitindo que a humanidade ainda existe por várias centenas de milhões de anos, nossos descendentes terão que enfrentar o imenso desafio da colonização interestelar! Prospectiva, ficção científica ou antecipação, isso não impede os cientistas de já olharem para o estudo de uma colonização teórica além do sistema solar.

O fim programado das estrelas

Esgotando inelutavelmente suas reservas de combustível por um fenômeno de fusão nuclear, ao transformar hidrogênio em hélio dentro de seu núcleo, nossa querida anã amarela, sem a qual a vida na Terra nunca teria surgido, se transformará em uma gigante vermelha quando terá cerca de 10 bilhões de anos. Neste ponto, a zona habitável de nosso sistema solar não será a mesma que é hoje e a vida na Terra será simplesmente impossível.
Nosso Sol, infinitamente pequeno em comparação com estrelas como UY Scuti (a maior estrela conhecida no universo observável), também experimentará seu fim programado © NASA
No entanto, nossa estrela, atualmente com 4,6 bilhões de anos, retornará Terra insustentável muito antes de seu tamanho ser multiplicado(envolvendo-nos no processo). Durante seu ciclo atual, a luminosidade do Sol aumenta 7% a cada bilhão de anos. Na pior das hipóteses, a vida na Terra poderia morrer em 500 milhões de anos devido ao aumento dramático das temperaturas. Embora algumas espécies, incluindo bactérias e outros vírus, ainda possam resistir a algumas centenas de milhões de anos, a humanidade terá de fato sido dizimada, muito antes que os oceanos tenham literalmente vaporizado.
Você pode suspeitar, mas este cenário catastrófico não leva em conta o fenômeno do aquecimento global, cujas graves consequências apenas começamos a ver. Hoje, as principais razões para o aquecimento global são consensos na comunidade científica: forçantes antropogênicas (emissões de gases de efeito estufa, desmatamento), ao contrário de forçantes naturais (solar e vulcânica) e como o próprio nome sugere. , devido às atividades humanas.
Se o sonho mais ambicioso de Elon Musk ou da NASA é, num futuro próximo, colocar os pés em Marte , será necessário deslocar e colonizar regiões muito mais distantes para deixar qualquer esperança de sobrevivência para a humanidade.quando o Sol assina nossa sentença de morte, ou quando o Homem causou sua própria perda.
Isso lhe parece altamente improvável e você duvida, com razão, das capacidades do Homo sapiens para enfrentar tal desafio? Mas, observando a Lua, Galileu imaginou Neil Armstrong? O que Hipócrates, pai da medicina, teria pensado, com o olho em um microscópio voltado para o mundo celular, ou medicina nuclear?
Na escala do Universo, pouco tempo se passou da Idade da Pedra para a era contemporânea e suas sociedades industriais, para a revolução digital, e a Humanidade ainda tem muitos milênios para se tornar o que os pesquisadores chamam de "super-civilização",em outras palavras, uma civilização que atingiu um nível muito alto de desenvolvimento tecnológicoe quem está, portanto, em posição de empreender a colonização interestelar .

Da ficção à ciência

No início do XIX ^° século, o progresso tecnológico associado à primeira grande revolução industrial mudando profundamente a face da sociedade e estimula a imaginação . Assim, as projeções futuristas baseadas no progresso da ciência rapidamente encontraram lugar na literatura, pensamos em particular nos precursores da ficção científica que são Júlio Verne e HG Wells. Se SF é reconhecido como um gênero literário em si mesmo no meio do XX ^° século, muitos autores vão imaginar as tecnologias mundiais e futuras ; Assim como as obras de Verne, um grande número de conceitos ilustrados nessas obras de FC serão realizados posteriormente.
Hoje, o SF faz parte integrante da nossa cultura, graças à literatura, mas também e principalmente ao cinema e mais recentemente aos videogames. Os artistas se inspiram nos avanços da ciência, enquanto a ciência se alimenta regularmente de sua imaginação fértil . Celulares e tablets, assistentes de voz, clonagem de animais, carros autônomos, robôs humanóides, viagens interplanetárias, inteligência artificial ou mesmo realidade aumentada, todos esses conceitos e tecnologias (e muitos outros) viram a luz do dia pela primeira vez sob forma de ficção , no cinema, com filmes como Star Trek, Minority Report, Terminator ou, mais recentemente, I-Robot.

As ligações entre ficção e ciência às vezes são próximas e a colonização espacial é um tema onipresente nas obras de FC. Como acabamos de ver, a colonização do espaço não é apenas uma fantasia para a qual as agências do Estado e atores privados desejam entrar em uma atmosfera de competição; ela pode depender da sustentabilidade da civilização.
Os dois conceitos de megaestrutura que apresentamos hoje foram inspirados diretamente em obras de ficção científica e podem um dia ser a pedra angular para a colonização interestelar .

Esfera de Dyson: capturando a energia de uma estrela

Concebida pelo famoso físico Freeman Dyson através de um artigo na revista Science em 1960, a esfera de Dyson é uma megaestrutura hipotética e artificial que poderia ser montada em torno de uma estrela na tentativa de recuperar a maior parte do energia que ele produz.
Freeman Dyson em 2009 © Eugene Richards
Esta ideia de uma biosfera artificial foi inspirada na leitura do romance Star Maker de Olaf Stapleton e suas "armadilhas luminosas". Naquela época, a busca pela vida extraterrestre estava em pleno andamento e o programa SETI(Search for Extra-Terrestrial Intelligence) nasce, conforme muito progresso foi feito na radioastronomia e a NASA se prepara para enviar uma tripulação à lua pela primeira vez. Essa efervescência, assim como os orçamentos substanciais destinados à pesquisa e à conquista do espaço, estimularão toda uma geração de cientistas, incluindo Freeman Dyson.
Dyson queria, então, verificar, com um olhar científico, a idéia atraente desenvolvida no romance de Stapleton, que permitiria a uma civilização avançada satisfazer suas fortes necessidades energéticas captando toda, ou grande parte, da energia emitida. não sua estrela. Essa ideia parte de uma premissa muito simples:assumindo que a demanda por energia e material está aumentandopara uma civilização tecnológica, de um dia para o outro, inevitavelmente, esgotaria o potencial energético de seu próprio planeta e não teria outra escolha a não ser se voltar para sua estrela.

Detecção de esferas de Dyson

Dyson acredita que essa abordagem também pode ser parte da resposta ao paradoxo de Fermi do questionamento para tentar entender por que o Universo é tão silencioso . Com efeito, entre as hipóteses que nos permitem responder a este grande silêncio, para além das possíveis dificuldades de fazer viagens interestelares, a escassez de vida inteligente, ou o facto de civilizações extraterrestres poderem desaparecer antes de terem atingido um Em estágio avançado, Dyson também evoca o fato de que estes últimos não poderiam ter a necessidade de colonizar o Universo a partir do momento em que conseguem acessar uma fonte quase ilimitada de energia, construindo uma ou mais esferas de Dyson. Apesar de tudo, se umuma estrela "encapsulada" em uma esfera de Dyson não é detectável no espectro visível, a esfera seria detectável graças à radiação infravermelha semelhante à de um corpo negro.
Após a primeira formulação de Dyson designando uma “concha” sólida e oca envolvendo uma estrela, outras variedades de esferas de Dyson foram então conceituadas em particular para responder às críticas sobre a estabilidade mecânica de tal objeto. No total, três tipos de esferas de Dyson são assim considerados: a do tipo I, cuja concha oca e fechada tornaria possível capturar quase toda a energia emitida por uma estrela e poderia ser potencialmente habitável; o do tipo II, que consiste em umenxame composto por um grande número de coletores solares independentes , solução que parece mais realista; a do tipo III chamada de bolha de Dyson seria formada por “ statites ” (contração das palavras static e satellite) que usariam velas solares como o protótipo inspirado em Carl Sagan, Lightsail, para flutuar imóvel em relação à estrela.

Uma esfera de Dyson na Via Láctea?

Este conceito é obviamente muito interessante para a pesquisa de tecnossignaturas , mas surpreende e espanta mais quando sabemos que Freeman Dyson acredita que a Humanidade poderia conseguir captar toda a energia do Sol graças a tal estrutura a partir daqui. 2.500 anos!
Baseando-se na escala de Kardashev - um método de classificação de civilizações em relação ao seu consumo de energia e nível tecnológico - Dyson estima que uma sociedade poderia atingir o tipo 2 desta classificação em apenas 2.500 anos, ambos que seu crescimento econômico anual não caia abaixo de 1%. Uma civilização tipo 2 corresponde a uma sociedade avançada capaz decoletar a energia energética emitida por sua estrela . Em 1973 , Carl Sagan revisitou essa escala, postulando que a Humanidade era então uma civilização do tipo 0,7 .
Este empreendimento titânico parece um pouco estranho no momento, especialmente porque exigiria o desmantelamento do equivalente a um planeta gasoso como Júpiter, mas também a terraformação de planetas como Marte e Vênus. Apesar de tudo, os avanços tecnológicos atuais, principalmente com o rápido desenvolvimento da robótica, da inteligência artificial e das nanotecnologias, apontam para um futuro brilhante para a conquista do espaço. Outros conceitos hipotéticos, como a sonda Von Neumann, uma espaçonave capaz de se replicar usando materiais encontrados in situ, poderia atender às necessidades gigantescas para a construção e montagem de uma esfera de Dyson.

O cilindro O'Neill: colonizando o sistema solar

Camarada e amigo de Freeman Dyson, O'Neill também estava muito interessado na questão de uma possível colonização pelo homem do espaço interplanetário .
Teorizado em 1977 em seu livro The High Frontier: Human Colonies in Space (“As Cidades do Espaço”, em sua edição francesa), o cilindro O'Neill é um conceito de habitat espacial resultante de um trabalho conjunto entre Gerard O'Neill e seus alunos de Princeton já em 1969. Em 1974, ele já publicou um artigo intitulado " A colonização do espaço " na revista Physics Today, no qual descreveu várias soluções inovadoras para colonizar o sistema solar,em particular desenvolvendomega-infraestruturas .
Gerard K. O'Neill ensinando em Princeton © Tasha O'Neill
Se pudermos pensar que O'Neill também foi inspirado no romance de Stapleton, que descreve estruturas habitáveis ​​construídas em torno de estrelas, mas também de anéis exteriores que abrigam a vida, é finalmente uma variante cilíndrica de um conceito já proposto em 1929 por John Desmond Bernal , um físico britânico, e retomado em 1954 pelo cientista alemão Hermann Oberth . No entanto, pouco antes da publicação de seu livro, encontramos este tipo de estruturas (de design extraterrestre) no romance de Arthur C. Clarke, Rendezvous with Rama.

Condições de vida semelhantes na Terra

Com a ajuda de seus alunos, O'Neill vai, no entanto, popularizar e levar esse conceito um pouco mais longe. Ele imagina de fato três tipos diferentes de habitats espaciais , chamados de ilhas .
A Ilha Um consiste, portanto, em uma esfera giratória de 512 metros de diâmetro. Essa estrutura poderia acomodar 10.000 habitantes em sua região equatorial. O conceito da Ilha Dois é semelhante, exceto que tem 1,6 km de diâmetro. A ideia foi então retomada durante o Estudo de Verão da NASA de 1975, liderado por O'Neill, no qual a Universidade de Stanford propôs uma versão alternativa - o Stanford Torus.- composto por um ou dois toros que usam a força centrífuga para fornecer uma gravidade semelhante à da Terra.
Finalmente, o conceito de benchmark, Ilha Três, é o que conhecemos hoje como o cilindro O'Neill . É muito maior do que os outros dois modelos, pois consiste em um par de cilindros giratórios opostos, cada um medindo 32 km de comprimento e 6 km de diâmetro.
Um par de cilindros O'Neill © Rick Guidice / NASA Ames Research Center
Cada cilindro nesta enorme estrutura tem seis fatias de área igual, estendendo-se por todo o comprimento do cilindro. Três deles são habitáveis, enquanto as outras três são superfícies transparentes que permitem a entrada da luz solar. Um anel externo com diâmetro de 32 km, girando em velocidade diferente, é instalado para a realização de atividades agrícolas . Por fim, as unidades de produção industrial para projetar as moradias estariam localizadas no centro dessa estrutura, a fim de minimizar a gravidade de determinadas atividades industriais.
Como podemos ver, O'Neill e seus alunos pensaram em tudo aqui para uma possível colonização do espaço, conceito que também agrada a um certo Jeff Bezos. Capaz de acolher vários milhões de habitantes, o cilindro O'Neill vê o seu eixo sempre apontado para o Sol, primeiro com o objetivo de satisfazer as suas necessidades energéticas, mas também para receber luz no seu interior. As três fatias transparentes, espécies de janelas, seriam equipadas com espelhos para refletir a luz , além de simular a noite .
Vista interna de um cilindro O'Neill e suas fatias de espaço vital e espelhos alternados © Rick Guidice / NASA Ames Research Center
Para fornecer estabilidade, como se para simular a gravidade terrestre, O'Neill considerou colocar a estrutura ao nível dos pontos de Lagrange ; os cilindros teriam de girar em rotação oposta 28 vezes por hora para cancelar qualquer efeito giroscópico e, assim, fornecer gravidade artificial aos habitantes . Por fim, o volume dos cilindros seria suficiente para reproduzir com mais ou menos precisão uma atmosfera com suas próprias condições meteorológicas , ao mesmo tempo que oferecia proteção contra a radiação cósmica e suas radiações.
Vista interna de um cilindro O'Neill mostrando a curvatura de sua superfície interna © Don Davis / NASA Ames Research Center

Conceitos possíveis em um futuro próximo?

Inspirando regularmente o mundo da ficção científica, como o filme Interestelar, ou a famosa série de videogames Mass Effect, com sua Cidadela, o conceito de cilindro O'Neill (e da esfera de Dyson ) permanece atualmente a uma das propostas relevantes e práticos quando se fala sobre a colonização do espaço a longo prazo e em grande escala.
Embora o icônico fundador da SpaceX, Elon Musk, ainda esteja longe de ser convencido por tal projeto, argumentando que não faz sentido para ele, o cilindro O'Neill parece para muitos como um ideia judiciosa comparada com a colonização de outros planetas do sistema solar onde o Homem, frágil,terá dificuldade em se estabelecer.
Como muitos outros antes dele, como Carl Sagan, o fundador da empresa aeroespacial Blue Origin, Jeff Bezos , foi conquistado pela ideia de colônias descrita por O'Neill. Embora Bezos tenha reconhecido que construir esses assentamentos seria um desafio muito além de qualquer coisa que os humanos foram capazes de realizar até agora, ele acredita que o próximo grande desafio no espaço será a utilização de recursos. disponível no espaço para construir e manter estruturas lá .

Esse olhar sobre o futuro do espaço está obviamente longe de ser sem sentido: NASA e ESAestão, portanto, considerando seriamente o uso de recursos in situ para suas próximas missões à lua. Além disso, se essas agências conseguirem tal avanço, o que tornaria possível imaginar uma presença humana autônoma na Lua, é claro que este é também um dos elementos capitais para a construção hipotética de uma megaestrutura como 'uma esfera de Dyson ou uma colônia O'Neill.
Hoje esses projetos parecem fora de alcance, fictícios, até completamente insanos para nós, como as declarações de Musk. No entanto, se parece certo que nunca os veremos em nossa vida, eles podem muito bem deixar o campo da ficção científica e se tornar uma realidade em alguns séculos! Versões melhoradas e menos volumosas também poderiam surgir em um futuro relativamente próximo. Kalpana One , um design híbrido inspirado no cilindro O'Neill, a esfera Bernal e o Stanford Torus parece, em nossa escala, muito mais realista.


E você, acha que um dia o Homem será capaz de construir tais estruturas no espaço?