Герард О’Нилл: Физик и пионер освоения космоса

Введение

Американский физик, автор и изобретатель (1927–1992)

Джерард Китчен О'Нилл (Gerard Kitchen O'Neill; 6 февраля 1927 – 27 апреля 1992) – американский физик и сторонник освоения космоса. Будучи преподавателем Принстонского университета, он изобрел устройство, известное как кольцо для хранения частиц, для экспериментов в области физики высоких энергий. В 1970-х годах он разработал план строительства человеческих поселений в космосе, включая проект космической среды обитания, известный как цилиндр О'Нилла. Он основал Институт космических исследований, организацию, занимающуюся финансированием исследований в области космического производства и колонизации. О'Нилл начал исследования физики высокоэнергетических частиц в Принстоне в 1954 году, после получения докторской степени в Корнеллском университете. Два года спустя он опубликовал свою теорию кольца для хранения частиц. Это изобретение позволило создавать ускорители частиц с гораздо более высокими энергиями, чем было возможно ранее. В 1965 году в Стэнфордском университете он провел первый эксперимент по физике сталкивающихся пучков. У него не было братьев и сестер. Его семья переехала в Спекулятор, штат Нью-Йорк, когда его отец временно вышел на пенсию по состоянию здоровья. Военно-морской флот обучил его работе с радарами, что пробудило его интерес к науке. В детстве он обсуждал с родителями возможности пребывания человека в космосе, а в колледже ему нравилось работать над ракетными уравнениями. Однако он не рассматривал космическую науку как перспективное направление карьеры в физике, предпочтя физику высоких энергий. Он окончил с отличием Phi Beta Kappa в 1950 году. О'Нилл продолжил обучение в аспирантуре в Корнеллском университете при поддержке стипендии Комиссии по атомной энергии и получил докторскую степень по физике в 1954 году. У них был сын, Роджер, и две дочери, Джанет и Элеонора, прежде чем их брак распался в 1966 году. Во время своего первого перелетного полета на планере в апреле 1973 года ему помогала на земле Ренате "Таша" Штеффен. Он познакомился с Ташей, которая была моложе его на 21 год, ранее через Международный клуб YMCA. Они поженились на следующий день после полета.

Исследования в области физики высоких энергий

После окончания Корнеллского университета О’Нилл принял должность преподавателя в Принстонском университете. Затем накопленные частицы можно было направлять на столкновение с другим пучком частиц. Это увеличивало энергию столкновения частиц по сравнению с предыдущим методом, при котором пучок направлялся на неподвижную мишень. Его идеи не сразу нашли признание в физическом сообществе. Это привело к сотрудничеству между Принстоном и Стэнфордом для создания эксперимента по столкновению пучков (CBX). Благодаря гранту в 800 000 долларов США от Управления военно-морских исследований, строительство первых накопительных колец для частиц началось в 1958 году в Стэнфордской лаборатории физики высоких энергий. Он разработал способ захвата частиц и, создавая вакуум путем откачки воздуха, удерживать их достаточно долго для проведения экспериментов. CBX впервые накопил пучок 28 марта 1962 года. В 1965 году О’Нилл стал штатным профессором физики. О’Лири был отобран в 6-ю группу астронавтов, а О’Нилл – нет. О’Нилл заинтересовался идеей космической колонизации в 1969 году, преподавая физику первокурсникам в Принстонском университете. Его студенты становились циничными в отношении пользы науки для человечества из-за споров вокруг войны во Вьетнаме. Чтобы дать им актуальную тему для изучения, он начал использовать примеры из программы «Аполлон» в качестве применения основ физики. Он отправлял свою работу в различные журналы, включая Scientific American и Science, но рецензенты отклоняли ее. В этот период О’Нилл читал лекции о космической колонизации в Хэмпширском колледже, Принстоне и других учебных заведениях. Лекцию в Хэмпшире организовал О’Лири, к тому времени ассистент профессора астрономии и оценки научной политики в колледже; в 1976 году он присоединился к исследовательской группе О’Нилла в Принстоне. Многие студенты и сотрудники, посещавшие лекции, с энтузиазмом восприняли возможность жизни в космосе. Его статья наконец была опубликована в выпуске Physics Today за сентябрь 1974 года. В ней он утверждал, что создание космических колоний решит несколько важных проблем: важно осознать огромный потенциал технологии космической колонизации. Если мы начнем использовать ее достаточно рано и будем делать это разумно, то по крайней мере пять наиболее серьезных проблем, стоящих перед миром, можно будет решить без прибегания к репрессиям: поднять уровень жизни каждого человека до уровня, которым сейчас пользуются лишь самые удачливые; защитить биосферу от ущерба, причиняемого транспортом и промышленным загрязнением; найти высококачественное жилое пространство для населения мира, которое удваивается каждые 35 лет; найти чистые и практичные источники энергии; предотвратить перегрузку теплового баланса Земли. Он исследовал возможности полетов на планерах внутри космической колонии, обнаружив, что огромный объем может поддерживать атмосферные восходящие потоки. Он рассчитал, что человечество сможет расширить свои границы на этой искусственной территории в 20 000 раз. Первые колонии будут построены в точках Лагранжа Земли и Луны, которые являются стабильными точками в Солнечной системе, где космический аппарат может поддерживать свою позицию без расхода энергии. Статья была хорошо принята, но многие, кто начал работать над проектом, уже были знакомы с его идеями еще до ее публикации. Ожидая публикации своей статьи, О’Нилл организовал небольшую двухдневную конференцию в мае 1974 года в Принстоне для обсуждения возможности колонизации космического пространства. Среди участников были Эрик Дрекслер (в то время первокурсник в Массачусетском технологическом институте), ученый-астронавт Джо Аллен (из 6-й группы астронавтов), Фримен Дайсон и научный репортер Уолтер Салливан. Статья Салливана о конференции была опубликована на первой странице The New York Times 13 мая 1974 года. С ростом осведомленности в СМИ О’Нилл получил множество писем от людей, воодушевленных идеей жизни в космосе. Чтобы поддерживать с ними связь, он начал вести список рассылки и отправлять обновления о своем прогрессе. Через несколько месяцев он услышал Питера Глазера, выступающего с докладом о солнечных энергетических спутниках в Центре космических полетов Годдарда НАСА. О’Нилл понял, что, строя эти спутники, его космические колонии смогут быстро окупить стоимость своего строительства. По словам О’Нилла, «принципиальное отличие этого от всего, что делалось в космосе ранее, заключается в потенциале создания огромного нового богатства». На этой конференции более двух десятков докладчиков представили свои работы, в том числе Кейт и Кэролин Хенсон из Тусона, штат Аризона. После конференции Кэролин Хенсон организовала встречу между О’Ниллом и конгрессменом от Аризоны Мо Удаллом, который в то время был одним из ведущих претендентов на выдвижение от Демократической партии на президентских выборах 1976 года. Удалл написал письмо поддержки работы О’Нилла, которое попросил Хенсонов распространить. В июне 1975 года О’Нилл возглавил десятинедельную исследовательскую работу по созданию постоянных космических поселений в НАСА Эймс. В ходе исследования его вызвали для дачи показаний 23 июля перед Подкомитетом Палаты представителей по науке и применению космического пространства. 19 января 1976 года он также выступил перед Подкомитетом Сената по аэрокосмическим технологиям и национальным потребностям. В своей презентации под названием «Солнечная энергия со спутников» он изложил свой план программы в стиле «Аполлона» по строительству электростанций в космосе. Он вернулся в Эймс в июне 1976 и 1977 годов, чтобы возглавить исследования по космическому производству. В ходе этих исследований НАСА разработало подробные планы по созданию баз на Луне, где рабочие в скафандрах будут добывать минеральные ресурсы, необходимые для строительства космических колоний и солнечных энергетических спутников.

After graduating from Cornell, O'Neill accepted a position as an instructor at Princeton University. The stored particles could then be directed to collide with another particle beam. This would increase the energy of the particle collision over the previous method, which directed the beam at a fixed target. His ideas were not immediately accepted by the physics community. This resulted in a collaboration between Princeton and Stanford to build the Colliding Beam Experiment (CBX). With a US$800,000 grant from the Office of Naval Research, construction on the first particle storage rings began in 1958 at the Stanford High Energy Physics Laboratory. He figured out how to capture the particles and, by pumping the air out to produce a vacuum, store them long enough to experiment on them. CBX stored its first beam on March 28, 1962. O'Neill became a full professor of physics in 1965. O'Leary was selected for Astronaut Group 6 but O'Neill was not. O'Neill became interested in the idea of space colonization in 1969 while he was teaching freshman physics at Princeton University. His students were growing cynical about the benefits of science to humanity because of the controversy surrounding the Vietnam War. To give them something relevant to study, he began using examples from the Apollo program as applications of elementary physics. He submitted it to several journals and magazines, including Scientific American and Science, only to have it rejected by the reviewers. During this time O'Neill gave lectures on space colonization at Hampshire College, Princeton, and other schools. The Hampshire lecture was facilitated by O'Leary, by now an assistant professor of astronomy and science policy assessment at the institution; in 1976, he joined O'Neill's research group at Princeton. Many students and staff attending the lectures became enthusiastic about the possibility of living in space. His paper finally appeared in the September 1974 issue of Physics Today. In it, he argued that building space colonies would solve several important problems: It is important to realize the enormous power of the space colonization technique. If we begin to use it soon enough, and if we employ it wisely, at least five of the most serious problems now facing the world can be solved without recourse to repression: bringing every human being up to a living standard now enjoyed only by the most fortunate; protecting the biosphere from damage caused by transportation and industrial pollution; finding high quality living space for a world population that is doubling every 35 years; finding clean, practical energy sources; preventing overload of Earth's heat balance. He explored the possibilities of flying gliders inside a space colony, finding that the enormous volume could support atmospheric thermals. He calculated that humanity could expand on this man made frontier to 20,000 times its population. The initial colonies would be built at the Earth Moon and Lagrange points. and are stable points in the Solar System where a spacecraft can maintain its position without expending energy. The paper was well received, but many who would begin work on the project had already been introduced to his ideas before it was even published. While he was waiting for his paper to be published, O'Neill organized a small two day conference in May 1974 at Princeton to discuss the possibility of colonizing outer space. Among those who attended were Eric Drexler (at the time a freshman at MIT), scientist astronaut Joe Allen (from Astronaut Group 6), Freeman Dyson, and science reporter Walter Sullivan. Sullivan's article on the conference was published on the front page of The New York Times on May 13, 1974. As media coverage grew, O'Neill was inundated with letters from people who were excited about living in space. To stay in touch with them, O'Neill began keeping a mailing list and started sending out updates on his progress. A few months later he heard Peter Glaser speak about solar power satellites at NASA's Goddard Space Flight Center. O'Neill realized that, by building these satellites, his space colonies could quickly recover the cost of their construction. According to O'Neill, "the profound difference between this and everything else done in space is the potential of generating large amounts of new wealth". At this conference more than two dozen speakers presented papers, including Keith and Carolyn Henson from Tucson, Arizona. After the conference Carolyn Henson arranged a meeting between O'Neill and Arizona Congressman Mo Udall, then a leading contender for the 1976 Democratic presidential nomination. Udall wrote a letter of support, which he asked the Hensons to publicize, for O'Neill's work. In June 1975, O'Neill led a ten week study of permanent space habitats at NASA Ames. During the study he was called away to testify on July 23 to the House Subcommittee on Space Science and Applications. On January 19, 1976, he also appeared before the Senate Subcommittee on Aerospace Technology and National Needs. In a presentation titled Solar Power from Satellites, he laid out his case for an Apollo style program for building power plants in space. He returned to Ames in June 1976 and 1977 to lead studies on space manufacturing. In these studies, NASA developed detailed plans to establish bases on the Moon where space suited workers would mine the mineral resources needed to build space colonies and solar power satellites.

Частное финансирование (1977-1978)

Хотя НАСА поддерживала его работу грантами в размере до 500 000 долларов в год, О’Нилл разочаровался в бюрократии и политике, присущих исследованиям, финансируемым правительством. SSI получила первоначальное финансирование почти в 100 000 долларов от частных жертвователей и в начале 1978 года начала поддерживать фундаментальные исследования технологий, необходимых для космического производства и освоения. Один из первых грантов SSI был выделен на разработку массового драйвера – устройства, впервые предложенного О’Ниллом в 1974 году. Массовые драйверы основаны на конструкции рельсотрона, адаптированной для ускорения немагнитного объекта. О’Нилл предложил использовать массовые драйверы для выброса в космос кусков руды размером с бейсбольный мяч, добытых с поверхности Луны. В Массачусетском технологическом институте он, Генри Х. Колм и группа студентов-добровольцев построили свой первый прототип массового драйвера. Ему удалось исключить расходы на исследования космической колонизации из бюджета. В 1978 году Пол Вербос написал в бюллетене L5: «никто не ожидает, что Конгресс поддержит концепцию О’Нилла о крупномасштабных космических поселениях; люди в НАСА почти параноидально относятся к аспектам связей с общественностью этой идеи». Когда стало ясно, что финансируемая правительством программа колонизации политически невозможна, общественная поддержка идей О’Нилла начала ослабевать. Его план также основывался на оценках НАСА относительно частоты запусков и стоимости запуска космического шаттла, которые оказались чрезмерно оптимистичными. В его книге 1977 года указывалась стоимость запуска космического шаттла в 10 миллионов долларов, но в 1981 году субсидированная цена для коммерческих клиентов начиналась с 38 миллионов долларов. В 1985 году, при подсчете полной стоимости запуска в 1985 году, она достигла 180 миллионов долларов за рейс. В 1985 году президент США Рональд Рейган назначил О’Нилла в Национальную комиссию по космосу. Их отчет был опубликован в мае 1986 года, через четыре месяца после катастрофы космического шаттла «Челленджер». Книга «Высокий рубеж» была переведена на пять языков и оставалась в печати по состоянию на 2008 год. В книге рассматривалось влияние технологий, которые он назвал «двигателями перемен», на грядущий век. Некоторые из описанных им технологий включали космические колонии, спутники солнечной энергии, препараты против старения, автомобили на водородном топливе, контроль климата и подземные магнитные поезда. Он оставил социальную структуру 1980-х годов нетронутой, предполагая, что человечество останется неизменным, даже расширяясь в Солнечной системе. Отзывы о книге «2081» были неоднозначными. Рецензент New York Times Джон Нобл Уилфорд назвал книгу «пробуждающей воображение», но Чарльз Никол считал, что описанные технологии слишком фантастичны. Он утверждал, что Соединенным Штатам необходимо развивать шесть отраслей промышленности для конкуренции: микроинженерию, робототехнику, генную инженерию, магнитный транспорт, семейные самолеты и космическую науку. Он также полагал, что промышленное развитие страдает от недальновидных руководителей, заинтересованных профсоюзов, высоких налогов и недостаточного образования американцев. По мнению рецензента Генри Вейла, подробные объяснения О’Нилла новых технологий отличали эту книгу от других на эту тему. Система, предназначенная главным образом для отслеживания самолетов, называлась службой радиоопределения местоположения (RDSS). По мере ухудшения здоровья О’Нилл стал меньше участвовать в делах компании, которая в то же время столкнулась с трудностями. В феврале 1991 года Geostar объявила о банкротстве, а ее лицензии были проданы Motorola для проекта спутниковой группировки Iridium. Хотя система в конечном итоге была заменена GPS, О’Нилл внес значительный вклад в область определения местоположения. Система LAWN позволяла двум компьютерам обмениваться сообщениями на расстоянии около сотни футов стоимостью около 500 долларов за узел. Компания O’Neill Communications прекратила свою деятельность в 1993 году; технология LAWN была продана Omnispread Communications. По состоянию на 2008 год Omnispread продолжала продавать вариант системы LAWN О’Нилла. 18 ноября 1991 года О’Нилл подал заявку на патент на систему вакуумных поездов. Он назвал компанию, которую хотел создать, VSE International, что означало скорость, тишину и эффективность. Образец его кремированных останков был захоронен в космосе. Капсула Celestis, содержащая его прах, была прикреплена к капсулам других участников Celestis и запущена на ракете Pegasus XL на околоземную орбиту 21 апреля 1997 года. Она вошла в атмосферу в мае 2002 года. О’Нилл поручил Институту космических исследований продолжать свои усилия «до тех пор, пока люди не будут жить и работать в космосе». После его смерти управление SSI перешло к его сыну Роджеру и коллеге Фримену Дайсону. Работа О’Нилла вдохновила компанию Blue Origin, основанную Джеффом Безосом, которая стремится построить инфраструктуру для будущей космической колонизации. Генри Колм в 1990-х годах основал Magplane Technology для разработки технологии магнитного транспорта, о которой писал О’Нилл. В 2007 году Magplane продемонстрировала рабочую систему магнитного трубопровода для транспортировки фосфатной руды во Флориде. Система работала со скоростью 65 км/ч, что значительно медленнее, чем высокоскоростные поезда, которые представлял себе О’Нилл. Все три основателя Фонда космического рубежа, организации, занимающейся открытием космического рубежа для человеческого освоения, поддерживали идеи О’Нилла и работали с ним в различных должностях в Институте космических исследований. Один из них, Рик Тумлинсон, называет трех человек образцами для космической пропаганды: Вернера фон Брауна, Джерарда К. О’Нилла и Карла Сагана. Фон Браун продвигал «проекты, которыми обычные люди могут гордиться, но не участвовать в них». Саган хотел исследовать Вселенную издалека. О’Нилл, со своим грандиозным планом освоения Солнечной системы, подчеркивал переселение обычных людей с Земли «массово». По состоянию на ноябрь 2013 года документы и работы Джерарда О’Нилла находятся в архивах Национального музея авиации и космонавтики Смитсоновского института, в центре Стивена Ф. Удвар-Хази.

Although NASA was supporting his work with grants of up to $500,000 per year, O'Neill became frustrated by the bureaucracy and politics inherent in government funded research. SSI received initial funding of almost $100,000 from private donors, and in early 1978 began to support basic research into technologies needed for space manufacturing and settlement. One of SSI's first grants funded the development of the mass driver, a device first proposed by O'Neill in 1974. Mass drivers are based on the coilgun design, adapted to accelerate a non magnetic object. One application O'Neill proposed for mass drivers was to throw baseball sized chunks of ore mined from the surface of the Moon into space. At MIT, he, Henry H. Kolm, and a group of student volunteers built their first mass driver prototype. He successfully eliminated spending on space colonization research from the budget. In 1978, Paul Werbos wrote for the L 5 newsletter, "no one expects Congress to commit us to O'Neill's concept of large scale space habitats; people in NASA are almost paranoid about the public relations aspects of the idea". When it became clear that a government funded colonization effort was politically impossible, popular support for O'Neill's ideas started to evaporate. His plan had also been based on NASA's estimates for the flight rate and launch cost of the Space Shuttle, numbers that turned out to have been wildly optimistic. His 1977 book quoted a Space Shuttle launch cost of $10 million, but in 1981 the subsidized price given to commercial customers started at $38 million. A 1985 accounting of the full cost of a launch in 1985 raised this as high as $180 million per flight. O'Neill was appointed by United States President Ronald Reagan to the National Commission on Space in 1985. Their report was released in May 1986, four months after the Space Shuttle Challenger broke up on ascent. The High Frontier has been translated into five languages and remained in print as of 2008. The book explored the effects of technologies he called "drivers of change" on the coming century. Some technologies he described were space colonies, solar power satellites, anti aging drugs, hydrogen propelled cars, climate control, and underground magnetic trains. He left the social structure of the 1980s intact, assuming that humanity would remain unchanged even as it expanded into the Solar System. Reviews of 2081 were mixed. New York Times reviewer John Noble Wilford found the book "imagination stirring", but Charles Nicol thought the technologies described were unacceptably far fetched. He argued that the United States had to develop six industries to compete: microengineering, robotics, genetic engineering, magnetic flight, family aircraft, and space science. He also thought that industrial development was suffering from short sighted executives, self interested unions, high taxes, and poor education of Americans. According to reviewer Henry Weil, O'Neill's detailed explanations of emerging technologies differentiated the book from others on the subject. The system, primarily intended to track aircraft, was called Radio Determination Satellite Service (RDSS). With his health failing, O'Neill became less involved with the company at the same time it started to run into trouble. In February 1991 Geostar filed for bankruptcy and its licenses were sold to Motorola for the Iridium satellite constellation project. Although the system was eventually replaced by GPS, O'Neill made significant advances in the field of position determination. The LAWN system allowed two computers to exchange messages over a range of a couple hundred feet at a cost of about $500 per node. O'Neill Communications went out of business in 1993; the LAWN technology was sold to Omnispread Communications. As of 2008, Omnispread continued to sell a variant of O'Neill's LAWN system. On November 18, 1991, O'Neill filed a patent application for a vactrain system. He called the company he wanted to form VSE International, for velocity, silence, and efficiency. A sample of his incinerated remains was buried in space. The Celestis vial containing his ashes was attached with vials of other Celestis participants to a Pegasus XL rocket and launched into Earth orbit on April 21, 1997. It re entered the atmosphere in May 2002. O'Neill directed his Space Studies Institute to continue their efforts "until people are living and working in space". After his death, management of SSI was passed to his son Roger and colleague Freeman Dyson. O'Neill's work informs the company Blue Origin founded by Jeff Bezos, which wants to build the infrastructure for future space colonization. Henry Kolm went on to start Magplane Technology in the 1990s to develop the magnetic transportation technology that O'Neill had written about. In 2007, Magplane demonstrated a working magnetic pipeline system to transport phosphate ore in Florida. The system ran at a speed of 40 mph (65 km/h), far slower than the high speed trains O'Neill envisioned. All three of the founders of the Space Frontier Foundation, an organization dedicated to opening the space frontier to human settlement, were supporters of O'Neill's ideas and had worked with him in various capacities at the Space Studies Institute. One of them, Rick Tumlinson, describes three men as models for space advocacy: Wernher von Braun, Gerard K. O'Neill, and Carl Sagan. Von Braun pushed for "projects that ordinary people can be proud of but not participate in". Sagan wanted to explore the universe from a distance. O'Neill, with his grand scheme for settlement of the Solar System, emphasized moving ordinary people off the Earth "en masse". As of November, 2013, Gerard O'Neill's papers and work are now located in the archives at the Smithsonian National Air and Space Museum, Steven F. Udvar Hazy Center.