Научная фантастика в ЕКА

Вот уже четверть века Европейское космическое агентство (ЕКА) (European Space Agency, ESA) использует научную фантастику для прототипирования космической техники. Давайте заглянем за кулисы и посмотрим как они это делают.

Научно-фантастическая литература содержит инновационные технологические идеи, которые играют важную роль в науке и технике, даже если они не поддаются немедленной реализации. По мнению ЕКА полезность научной фантастики для развития аэрокосмической отрасли заключается в следующем:

• Научная фантастика имеет философскую направленность. Это способ порассуждать о том, как могли бы жить люди, чего они хотят и не хотят. Фантастика задаёт дискурс, в котором происходит диалог между представителями искусства, науки, промышленности и широкой общественностью.
• Научная фантастика имеет политическую и социальную значимость. Произведения вдохновляют представителей всех социальных и культурных слоёв. Увлечение научной фантастикой выходит за рамки религий и государственных границ. Это придает легитимность космическим программам и является веской причиной для проведения космических миссий.
• Научная фантастика отражает современный технологический климат. Успех реализации зависит от того, насколько концепция понятна обществу в текущий период. Коллективное воображение превращает концепцию в технику.

В ЕКА нет постоянно действующей программы, связанной с концептуализацией научной фантастики. Однако агентство регулярно проводит различные мероприятия, прямо связанные с научной фантастикой: научные исследования инновационных технологий, международные конкурсы научной фантастики, проекты прототипов возможных технических решений.

Давайте рассмотрим по одному примеру каждого из названых мероприятий:

• исследование «Инновационные технологии научной фантастики»;
• международный конкурс научной фантастики;
• проект «Научно-фантастическая реальность в космосе».

Инновационные технологии научной фантастики

В период с 2001-го по 2002-й годов ЕКА проводило исследование «Инновационные технологии научной фантастики». Цель данного исследования заключалась в выявлении и оценке инновационных концепций современной научной фантастики, которые возможно доработать до уровня технологий, применимых в космической отрасли.

Исследование предполагало поиск оригинальных идей потенциально пригодных для:

• долгосрочного развития европейской космической отрасли;
• прогнозирования развития космической техники в будущем и влияние этой техники на европейское общество.

Организация исследования

Организацией исследования занимались высококвалифицированные инженеры ЕКА, опытные учёные европейских университетов, инженеры аэрокосмических компаний.

Менеджеры проекта применили следующие организационные решения:

• Для сбора первоначальных идей создали вебсайт, который содержал:
  • цели проекта;
  • список контактных лиц;
  • подборку ссылок на произведения научной фантастики;
  • необходимые справочные сведения.
• Для оформления идеи создали специализированную форму с вопросником, который помогал исследователю полнее выразить найденную идею.
• Для обсуждения идей создан форум. Участники обсуждали правдоподобность, осуществимость, практичность предлагаемых идей.

Это позволило организовать общение между исследователями и специалистам космической отрасли.

В проекте зарегистрировались более двухсот участников: учёные, инженеры, писатели фантастики, независимые исследователи.

Методология исследования

Организаторы с самого начала понимали, что подход к исследованию довольно поверхностный и предварительный. Понимали, что количество произведений научной фантастики огромное, и невозможно охватить всю литературу более чем за двухтысячелетнюю историю. Обзор ограничили лишь англоязычной научно-фантастической литературой ⅩⅩ века. Организаторы не навязывали свой список литературы. Исследователи по своему усмотрению выбирали и анализировали произведения научной фантастики.

Участникам проекта «Инновационные технологии научной фантастики» предложили:

1. Проанализировать произведения фантастики за столетний период.
2. Выявить описанные инновационные концепции.
3. Оценить практичность выявленных концепций.
4. Оценить потенциал каждой из идей. Составить рейтинг, отражающий приоритеты дальнейших изысканий.

Проведённый анализ произведений научной фантастики позволил выявить множество концепций. Далее сами участники оценивали:

• Может ли какая-либо из найденных концепций обладать потенциалом технико-экономического обоснования?
• Возможно ли в рамках современных знаний, методов, технологий, материалов реализовать какую-либо научно-фантастическую концепцию?

Выявленные концепции классифицировали следующим образом:

• известные концепции прошлого:
  • невозможное применение в прошлом, ближайшем и среднесрочном будущем;
  • нецелесообразные — известные, апробированные в прошлом и настоящем;
  • невозможные в прошлом, но вероятно возможные в настоящем или ближайшем будущем;
• новейшие (ранее неизвестные) концепции современности:
  • невозможное применение в ближайшем и среднесрочном будущем;
  • требующие проверки на целесообразность;
  • вероятно возможные в настоящем или ближайшем будущем.

Явно невозможные и нецелесообразные для реализации концепции сразу отбросили. То, что осталось, передали исследовательским центрам аэрокосмической отрасли, с которыми заключили отдельные контракты. В качестве контекста экспертам представили библиографию произведений научной фантастики, в которых присутствовали выявленные идеи. Субподрядчики провели собственный анализ предложений и представили ЕКА экспертные заключения.

Результат исследования

В конечном результате осталось 250 концепций. Их классифицировали, построили таксономию и выявили многообещающие направления в следующих областях космической деятельности:

• двигатели: солнечный парус, ионные, термоядерные, варп-двигатели, двигатели на гранулах, средства личного космического передвижения;
• колонизация космоса: терраформирование;
• космическая энергетика;
• компьютеризация космоса: мобильные компьютеры, устройства виртуальной и расширенной реальности;
• космическая связь: мгновенная связь, орбитальные башни;
• роботизация космоса;
• киборги: аугментация защитных способностей астронавтов;
• системы запуска техники в космическое пространство: космический лифт, орбитальные петли;
• добыча ресурсов в космосе;
• новые материалы для создания космической техники.

Концепции с положительной экспертной оценкой вошли в «Каталог европейских космических технологий» (European Space Technologies Catalogue), а также в «Досье 0» (Dossier 0).

Международный конкурс научной фантастики

В 2005 году Управление по передаче и продвижению технологий (Technology Transfer and Promotion Office) ЕКА объявило международный конкурс научной фантастики.

Цели литературного конкурса:

• привлечь к написанию произведений научной фантастики молодых, непрофессиональных авторов;
• показать в произведении нечто новое в космических миссиях.

Организаторы конкурса и жюри

Проведение конкурса одобрили известные фантасты Артур Кларк и Рей Брэдбери. Они же согласились возглавить жюри этого литературного мероприятия. Обращаясь к участникам конкурса писатель Артур Кларк отметил:

«Любая достаточно продвинутая технология неотличима от магии. И единственный способ обнаружить границы возможного — это отважиться переступить их и оказаться в невозможном».

В состав международного жюри входили специалисты Европейского космического агентства (ЕКА).

Жюри оценивало присланные работы по следующим критериям:

• технология — убедительное применение технологии в космических миссиях;
• воображение — новаторские идеи и способность автора нестандартно мыслить.

Жюри не приняло к рассмотрению произведения:

• единственной темой которых оказалось только представление технологии, вне отношений с обществом;
• с явными научными или техническими ошибками, с несоответствием граничных условий;
• с описанием антиутопий и апокалипсисов, которые приводили к миграции с перенаселённой и непригодной для жизни Земли.

Результат конкурса

На конкурс поступило 120 работ из 36 стран. Наибольшее количество работ поступило из США. Тематика присланных эссе затрагивала:

• звёздные войны;
• космические путешествия;
• колонизация и терраформирование планет;
• космические двигатели, гипердвигатели, техника вывода на околоземную орбиту, - космические лифты, солнечные паруса;
• медицинские аспекты длительного пребывания в космосе;
• материалы, нанотехнологии;
• коммуникация в космосе;
• взаимоотношения людей в длительных космических миссиях.

По завершении конкурса ЕКА опубликовала сборник научной фантастики, в который вошли все отмеченные жюри произведения.

Научно-фантастическая реальность в космосе

Предварительные сведения

Для того чтобы читатель лучше понял о чём идёт речь в проектах Европейского космического агентства (ЕКА), приведу пару определений, связанных с восприятием человеком окружающей среды.

Расширенная реальность (англ. extended reality) — обобщающий термин для обозначения дополненной реальности (augmented reality), смешанной реальности (mixed reality) и виртуальной реальности (virtual reality). Технология предназначена для повышения уровня восприятия окружающей среды пользователем. Объединяет визуальные данные реальности с цифровой моделью. Предоставляет пользователю возможность погружения в расширенную и виртуальную среды и приобретение индивидуального опыта.

Иммерсивность (от англ. immersive — «присутствие, погружение») — способ восприятия, погружающий пользователя в искусственную среду.

Аватар — цифровой образ человека в киберпространстве.

​Световое поле — цифровое представление световых лучей, проходящих через определенный объем пространства.

Отбор идей научной фантастики

В 2022–2024 годах ЕКА провело семь мероприятий по отбору идей научной фантастики, применимых в космонавтике. Например, в 2022-м году ЕКА провело конкурс «Новые идеи реализации расширенной реальности» (New ideas to make XR a reality). Тематика расширенной реальности выбрана в целях создания динамичной космической экосистемы, которая обеспечит цифровую трансформацию космической деятельности ЕС. Цифровизация космических процессов позволит повысить качество: поспособствует экономичности, безопасности, действенности и экологической безопасности.

По итогам конкурса эксперты ЕКА оценили и отобрало 36 идей, связанных с человеко-машинным интерфейсом. По этим идеям:

• сформулированы темы проектов инженерного проектирования;
• обеспечено финансирование;
• определены исполнители из числа научных организаций, университетов и промышленных групп из Германии, Франции, Швейцарии, Финляндии.

При формировании программы инженерного проектирования проекты, основанные на идеях научной фантастики, разделили по следующим ключевым направлениям:

• подготовка астронавтов;
• управление космическими полётами;
• виртуальный Марс;
• техническое обслуживание космической техники;
• телеприсутствие;
• дистанционное управление световым полем;
• аудиовизуальная связь в открытом космосе.

На современном уровне развития космической техники ЕКА рассматривает технологии расширенной реальности не как самостоятельные, а как вспомогательные, которые обогащают существующий космический инструментарий. Но при этом технологии расширенной реальности следует включить в единый цикл проектирования, производства и эксплуатации космической техники.

Все отобранные проекты направлены на развитие способностей астронавтов работать в космосе за счёт реалистичных тренировок организма.

Подводная подготовка астронавтов

Проект «Подводная расширенная реальность подготовки астронавтов» (Underwater VR for astronaut training) предназначен для тренировок астронавтов для выхода в открытый космос. Раньше для подобных комплексов применяли очень глубокие и большие бассейны. Применение расширенной реальности снижает современные требования к тренировочному бассейну без снижения качества имитируемой космической среды.

В рамках проекта разработаны водонепроницаемая гарнитура виртуальной реальности, а также средства слежения для определения местоположения и ориентации в пространстве.

В данном проекте шесть акванавтов провели шестнадцать дней на глубине 20-ти метров под водой, управляя деятельностью с помощью мобильных устройств mobiPV.

На фотографии Маттиас Маурер (Matthias Maurer) из Европейского центра астронавтов, принимает участие в подводной тренировочной миссии НАСА NEEMO 21. Он тестирует носимый прототип мобильного устройства (mobile procedure viewer, mobiPV), предоставляющего доступ к аудио- и видеоинструкциям.

Центр управления полётами

Проект Virtual Mission Control Room (VMCR) направлен на создание виртуальных центров управления полётами и технического обслуживания космической техники.

Ранее подобные центры управления полётами представляли собой помещение с рядами дисплеев, за которыми сидели эксперты. В настоящее время сотрудникам центров нет необходимости присутствовать в одном помещении для совместной работы. Коллеги виртуального центра управления полётами имеют возможность:

• взаимодействовать напрямую с помощью переписки, видео- и аудиосвязи;
• создавать общие доски заданий, заметок, документации;
• создавать общие каталоги для фотоснимков и видео фрагментов полёта.

Виртуальный центр управления полётами допускает удалённое присутствие. У каждого эксперта на дисплее свой набор окон и свой набор данных. Приложение позволяет пользователю осуществлять трёхмерное моделирование космических аппаратов и планет: положение, траекторию движения, сектор обзора. Приложение содержит приборные доски управления удалёнными марсоходами, луноходами и т.п. техникой.

Интерфейс приложения поддерживает:

• движение головы для смены обзора;
• распознавание жестов;
• клавиши управления;
• голосовые команды.

Виртуальный Марс

Проект Mars Xlab направлен на создание виртуальных фотореалистичных видов поверхности Марса. Искусственный интеллект применён для улучшения изображений, полученных со спутников Марса, а также для получения характеристик поверхности на основе изображений, полученных марсоходами.

Виртуальная лаборатория воссоздаёт марсианскую среду и позволяет астронавтам и роботам осваивать эту среду.

В Турине, в лаборатории расширенной реальности астронавты тренируются поддерживать деятельность международного модуля Habitat (I-Hab) в ходе космической миссии.

На фотографии тренировки в шлемах виртуальной реальности астронавтов ЕКА Александра Герста (Alexander Gerst) и Луки Пармитано (Luca Parmitano).

Обслуживание космической техники

Проект Space Applications Services (X-aRm) направлен на создание экзоскелета, предназначенного для технического обслуживания аппаратов в открытом космосе. Скафандр астронавта оснащён экзоскелетной рукой X-aRm.

Астронавты и инженеры использовали интерфейс расширенной реальности для получения инструкций, а затем проведением ремонта и сборки оборудования в космосе.

Телеприсутствие

Проект «Цифровые двойники астронавтов в расширенной реальности» (Digital Twins of Humans for Space Operations with XR telepresence) развивает идею телеприсутствия при удалённой работе в космосе. Цель проекта — разработка иммерсивных средств восприятия дополненной и виртуальной реальности.

Технологию связи и мониторинга применяют:

• при проектировании, сборке, интеграции, тестировании, верификации космических аппаратов;
• в управлении полётами.

Аватар астронавта создают на основании сбора данных о теле человека. Затем происходит трёхмерная оценка позы человека.

Дистанционное управление световым полем

  Проект «Усовершенствованная иммерсивная система дистанционного управления световым полем космической станции и наземного контроля» (Lightfield-enhanced immersive teleoperation system for space station and ground control) направлен на принятие решений и обеспечение точного управления космической техникой.

Интенсивная обработка данных и перенос результатов этой обработки в среду управления, обеспечивает более точный обзор наблюдаемой области.

Компьютерная техника осуществляет вычисление лучей по изображениям, полученным камерами с роботизированным управлением. Имея достаточный объём данных об изображении, можно вычислить новые перспективы обзора для каждой точки наблюдаемого пространства. Данные светового поля поступают в среду расширенной реальности. Пользователю доступен обзор на 180° и 360° с корректным параллаксом, отражений и теней.

Пример применения. Оператор космической станции включает режим записи изображений и сбора данных в интересующем пространстве. Для сбора данных оператор использует доступные датчики и камеры космических устройств. На основе собранных данных среда расширенной реальности образует световое поле, которое можно отправить в центр управления полётом. В центре управления анализируют данные светового поля и вырабатывают инструкции астронавтам космической станции. Операторы космической станции задействуют роботизированные космические устройства для выполнения необходимых действий.

Аудиовизуальная связь в открытом космосе

Проект «Аудиовизуальная связь для управления действиями в открытом космосе» (Audiovisual Feedback to Augmented Manual Activities During Space Walks) предусматривает наполнение виртуальными звуками тишины космоса.

Тишина очень мешает деятельности астронавтов в открытом космосе. Проект предусматривает создание искусственных звуков в наушниках астронавта. Например, удары по металлу, свист сверла, гудение двигателя. Звуки подтверждают результат действия и способствуют естественному и точному выполнению действий.

Заключение

Как видите, в Европейском космическом агентстве не только внимательно читают научную фантастику, но и генерируют идеи исследовательских проектов для космических миссий. При этом организация выявления и реализации инновационных идей в ЕКА (ЕС) отличается от [подобной деятельности в NASA (США).](/blog/ 20250305/)

Некоторые полезные выводы:

1. Научно-фантастическая литература содержит инновационные технологические идеи, которые играют важную роль в науке и технике, даже если они не поддаются немедленной реализации.
2. Фантастика имеет:
   • ценностную (аксиологическую) направленность, рассуждая о том, как могли бы жить люди;
   • политическую и социальную значимость, придавая легитимность национальным программам и миссиям;
   • технологическое значение, отражает развитие текущую инфраструктуру общества и уровень технического воображения.
3. Фантастика пригодна для прогнозирования развития техники в будущем и влияния этой техники на российское общество.
4. Обзоры и анализ фантастики целесообразно проводить совместно с инженерами соответствующих областей деятельности, которые способны на этапе прототипирования оценить пригодность новых концепций.
5. Полезно привлекать к написанию фантастических произведений молодых и непрофессиональных литераторов. Нет, они не напишут бестселлер! Но они могут подсказать конструкторам и инженерам неожиданную мысль, образ, концепцию, ситуацию применения техники. Оценивать конкурсантов следует не столько по литературным критериям, сколько за воображение и новаторские идеи. Как сказал Артур Кларк: оценить границы возможного можно лишь оказавшись в невозможном.

В тексте обзора использованы следующие определения.

Расширенная реальность (англ. extended reality) — обобщающий термин для обозначения дополненной реальности (augmented reality), смешанной реальности (mixed reality) и виртуальной реальности (virtual reality). Технология предназначена для повышения уровня восприятия окружающей среды пользователем. Объединяет визуальные данные реальности с цифровой моделью. Предоставляет пользователю возможность погружения в расширенную и виртуальную среды и приобретение индивидуального опыта.

Иммерсивность (от англ. immersive — «присутствие, погружение») — способ восприятия, погружающий пользователя в искусственную среду.

Аватар — цифровой образ человека в киберпространстве.

​Световое поле — цифровое представление световых лучей, проходящих через определенный объем пространства.