Det finns inga tvåvägar om det, universum är en extremt stor plats! Och tack vare de begränsningar som ställs på oss av Special Relativity, att resa till även de närmaste stjärnsystemen kan ta årtusenden. Som vi tog upp i en tidigare artikel, den beräknade restiden till närmaste stjärnsystem (Alpha Centauri) kan ta allt från 19, 000 till 81, 000 år med konventionella metoder.

Av denna anledning, många teoretiker har rekommenderat att mänskligheten förlitar sig på generationens skepp för att sprida mänsklighetens frö bland stjärnorna. Naturligtvis, ett sådant projekt innebär många utmaningar, inte minst är hur stor en rymdfarkost skulle behöva vara för att försörja en besättning i flera generationer. I en ny studie, av internationella forskare tog upp just denna fråga och fastställde att det skulle behövas mycket inre utrymme!

Studien, som nyligen dök upp på nätet, leddes av Dr. Frederic Marin från det astronomiska observatoriet i Strasbourg och Camille Beluffi, en partikelfysiker med den vetenskapliga start-upen Casc4de. De fick sällskap av Rhys Taylor från Astronomical Institute of the Czech Academy of Science, och Loic Grau från konstruktionsingenjörsfirman Morphosense.

Deras studie är den senaste i en serie utförd av Dr. Marin och Beluffi som tar itu med utmaningarna med att skicka en flergenerations rymdfarkost till ett annat stjärnsystem. I en tidigare studie, de tog upp hur stor en generations fartygsbesättning skulle behöva vara för att ta sig till sin destination med god hälsa.

De gjorde detta med hjälp av skräddarsydd numerisk kodprogramvara utvecklad av Dr. Marin själv, känd som HERITAGE. I en tidigare intervju med Dr. Marin, han beskrev HERITAGE som "en stokastisk Monte Carlo-kod som står för alla möjliga resultat av rymdsimuleringar genom att testa varje randomiserat scenario för fortplantning, liv och död."

Från deras analys, de bestämde att minst 98 personer skulle behövas för att utföra ett multigenerationsuppdrag till ett annat stjärnsystem, utan risker för genetiska störningar och andra negativa effekter i samband med äktenskap. För denna studie, teamet tog upp den lika viktiga frågan om hur man matar besättningen.

Med tanke på att lager av torkad mat inte skulle vara ett gångbart alternativ, eftersom de skulle försämras och förfalla under de århundraden som fartyget var på väg, fartyget och besättningen skulle behöva vara utrustade för att odla sin egen mat. Detta väcker frågan, hur mycket utrymme skulle behövas för att producera tillräckligt med grödor för att hålla en stor besättning matad?

När det kommer till rymdresor, storleken på rymdfarkosten är en stor fråga. Som Dr. Marin förklarade för Universe Today via e-post:

"Ju tyngre satellit, desto dyrare är det att skjuta upp den i rymden. Sedan, ju större/tyngre rymdskepp, desto mer komplicerat och resursdyrare blir framdrivningssystemet. Faktiskt, storleken på rymdskeppet kommer att begränsa många parametrar. När det gäller ett generationsfartyg, mängden mat vi kan producera är direkt relaterad till ytan inuti fartyget. Detta område är, i tur och ordning, relaterat till storleken på befolkningen ombord. Storlek, livsmedelsproduktion och befolkning hänger i själva verket samman."

För att ta itu med denna viktiga fråga – "hur stort måste skeppet vara?" – teamet förlitade sig på en uppdaterad version av HERITAGE-mjukvaran. Som de säger i sin studie, denna version "tar för åldersberoende biologiska egenskaper som längd och vikt, och egenskaper relaterade till det varierande antalet kolonister, såsom infertilitet, graviditet och missfall."

Utöver detta, teamet tog också hänsyn till besättningens kaloribehov för att beräkna hur mycket mat som skulle behöva produceras per år. För att åstadkomma detta, teamet inkluderade antropomorfa data i sina simuleringar för att bestämma hur mycket kalorier som skulle förbrukas baserat på en passagerares ålder, vikt, höjd, aktivitetsnivåer, och andra medicinska uppgifter.

"Att använda Harris-Benedicts ekvation för att uppskatta en individs basala metaboliska hastighet, vi utvärderade hur många kilokalorier som måste ätas per dag och person för att behålla den idealiska kroppsvikten. Vi var noga med att inkludera vikt- och längdvariationer för att ta hänsyn till en realistisk population, inklusive tung/lätt korpulens och långa/små människor. När kaloribehovet väl uppskattades, vi beräknade hur mycket mat geoponik, hydroponics och aeroponics jordbrukstekniker skulle kunna producera per år per kvadratkilometer."

Genom att jämföra dessa siffror med konventionella och moderna jordbrukstekniker, de kan vi förutsäga mängden konstgjord mark som skulle behöva allokeras till jordbruk inne i fartyget. De baserade sedan sina övergripande beräkningar på en relativt stor skruv (500 personer) och härledde en övergripande siffra. Som Dr. Marin förklarade:

"Vi fann att för en heterogen besättning av, t.ex., 500 människor som lever på en allätare, balanserad diet, 0,45 km² [0,17 mi²] konstgjord mark skulle räcka för att odla all nödvändig mat med en kombination av aeroponik (för frukt, grönsaker, stärkelse, socker, och olja) och konventionellt jordbruk (för kött, fisk, mejeri, och honung)."

Dessa värden ger också vissa arkitektoniska begränsningar för minimistorleken på själva generationsfartyget. Om man antar att fartyget var designat för att generera artificiell gravitation genom centripetalkraft (dvs en roterande cylinder) skulle det behöva vara minst cirka 224 meter (735 fot) i radie och 320 meter (1050 fot) i längd.

"Självklart, andra anläggningar förutom jordbruk är nödvändiga – mänsklig bostad, kontrollrum, kraftproduktion, reaktionsmassa och motorer, som gör rymdskeppet minst två gånger större, Dr. Marin tillade. "Intressant nog, även om vi fördubblar längden på rymdskeppet, vi hittar en struktur som fortfarande är mindre än den högsta byggnaden i världen – Burj Khalifa (828 m; 2716,5 fot)."

För fans av interstellär rymdutforskning, och uppdragsplanerare, denna senaste studie (och andra i serien) är mycket betydelsefulla, genom att de ger en allt tydligare bild av hur missionsarkitekturen för ett generationsfartyg skulle se ut. Utöver bara teoretiska förslag om vad som skulle vara inblandat, dessa studier ger faktiska siffror som forskare kanske kan arbeta med en dag.

Och som Dr. Marin förklarade, det gör också att ett så storslaget projekt (som verkar skrämmande i ansiktet) verkar så mycket mer genomförbart:

"Detta arbete ger oss en inblick i den verkliga möjligheten att skapa generationsfartyg. Vi är redan kapabla att bygga så stora strukturer på jorden. Vi har nu kvantifierat med precision hur stor ytan som ska vara dedikerad till jordbruk i generationsfartyg så att befolkningen kan föda under århundraden långa resor."

Enligt Marin, den enda återstående frågan som behöver undersökas är vatten. Varje uppdrag som involverar en stor besättning som tillbringar mer än några århundraden i interstellär rymden kommer att behöva mycket vatten att dricka, bevattning, och sanitet. Och det räcker inte att bara förlita sig på återvinningsmetoder för att säkerställa en jämn försörjning.

Detta, Marin indikerar, kommer att bli föremål för deras nästa studie. "I rymden (långt borta från planeter, månar eller stora asteroider), vatten kan vara mycket svårt att samla upp, ", sade han. "Då kan resurserna ombord lida av bristen på vatten. Vi måste dedikera våra framtida utredningar för att lösa det här problemet."

Som med det mesta som rör utforskning av rymden på djupet eller koloniseringen av andra världar, svaret på den oföränderliga frågan ("kan det göras?") är nästan alltid detsamma - "Hur mycket är du villig att spendera?" Det råder ingen tvekan om att ett interstellärt uppdrag, regardless of what form it might take, would require a massive commitment in terms of time, energi, and resources.

It would also require that people be willing to risk their lives, so only adventurous people would apply. But perhaps most of all, it would need the will to see it through. Barring urgency or extreme necessity (i.e. planet Earth is doomed), it's hard to imagine all of these factors coming together.

Dock, knowing exactly how much it will cost us in terms of money, resources and time to mount such a project is a very good first step. Only then can humanity decide if they are willing to make the commitment.