Nguồn gốc của ý tưởng này (1969)

NASA đã hình dung một cuộc thám hiểm khoa học đầy tham vọng trên Mặt Trăng.

O'Neill nhìn thấy tiềm năng lớn trong chương trình không gian của Mỹ, đặc biệt là các sứ mệnh Apollo. Ông đã nộp đơn cho Đoàn Phi hành gia sau khi NASA mở nó cho các nhà khoa học dân sự vào năm 1966. Sau này, khi được hỏi tại sao ông muốn thực hiện các sứ mệnh trên Mặt Trăng, ông nói, "hãy sống ngay bây giờ và không tham gia vào nó có vẻ như bị cận thị khủng khiếp".[6] Ông đã được kiểm tra tinh thần và thể chất nghiêm ngặt của NASA. Trong thời gian này, ông được gặp Brian O'Leary, cũng là một ứng cử viên khoa học gia-phi hành gia, trở thành người bạn tốt của mình.[19] O'Leary được chọn cho Nhóm Nhà Du hành số 6 nhưng O'Neill thì không.[20]

O'Neill bắt đầu quan tâm đến ý tưởng thuộc địa hóa không gian vào năm 1969 khi ông đang giảng dạy vật lý cho sinh viên năm nhất tại Viện Đại học Princeton.[3][21] Các sinh viên của ông ngày càng hoài nghi về lợi ích của khoa học đối với nhân loại vì những tranh cãi xung quanh Chiến tranh Việt Nam.[22][23] Nhằm cung cấp cho họ một cái gì đó có liên quan đến việc nghiên cứu, ông bắt đầu sử dụng các ví dụ từ chương trình Apollo như các ứng dụng của vật lý cơ bản.[3][6] O'Neill đã đặt câu hỏi trong một nhóm nghiên cứu chuyên đề phụ mà ông đề ra cho một số sinh viên của mình: "Bề mặt của một hành tinh có thực sự là nơi thích hợp cho một nền văn minh công nghệ đang mở rộng không?"[21] Nghiên cứu của sinh viên đã thuyết phục ông rằng câu trả lời là không.[21]

Quả cầu Bernal, một "hành tinh từ trong ra ngoài"

O'Neill được truyền cảm hứng từ các bài báo khoa học do chính sinh viên của mình viết nên. Ông bắt đầu tìm ra các chi tiết của một chương trình nhằm xây dựng môi trường sống trong không gian tự cung tự cấp trong khoảng không vũ trụ.[3][7] Trong số các chi tiết là làm thế nào để cung cấp cho cư dân của một thuộc địa không gian với môi trường giống như Trái Đất. Các sinh viên của ông đã thiết kế những cấu trúc điều áp khổng lồ, xoay tròn để lấy gần đúng trọng lực Trái Đất bằng lực ly tâm. Với dân thuộc địa sống trên bề mặt bên trong của một hình cầu hoặc hình trụ, các cấu trúc này giống như "những hành tinh từ trong ra ngoài". Ông phát hiện ra rằng việc ghép các ống hình trụ quay ngược sẽ loại bỏ nhu cầu quay chúng bằng tên lửa.[21] Hình dạng này đã được biết đến với tên gọi hình trụ O'Neill.

Bài báo khoa học đầu tiên (1970–1974)

Tìm kiếm một lối thoát cho ý tưởng của mình, O'Neill đã viết một bài báo khoa học có tựa đề "The Colonization of Space" (Thuộc địa hóa Không gian), và trong bốn năm đã cố gắng để nó được xuất bản.[24] Ông đã gửi nó cho một số tạp chí và tập san, bao gồm cả tờ Scientific American và Science, chỉ để bị giới phê bình từ chối. Trong thời gian này, O'Neill đã giảng bài về thuộc địa hóa không gian tại Đại học Hampshire, Princeton, và các trường khác. Nhiều sinh viên và nhân viên tham dự các bài giảng đã trở nên nhiệt tình về khả năng sống trong không gian.[21] Một lối thoát khác để O'Neill khám phá ý tưởng của ông là với con cái trong gia đình; khi đi dạo trong rừng, họ suy ngẫm về đời sống ở một thuộc địa không gian.[25] Bài báo khoa học của ông cuối cùng đã xuất hiện trên tạp chí Physics Today số ra tháng 9 năm 1974. Trong đó, ông lập luận rằng việc xây dựng các thuộc địa không gian sẽ giải quyết một số vấn đề quan trọng:

“

Điều quan trọng là nhận ra sức mạnh to lớn của kỹ thuật thuộc địa hóa không gian. Nếu chúng ta bắt đầu sử dụng nó đủ sớm và nếu chúng ta sử dụng nó một cách khôn ngoan, thì ít nhất năm vấn đề nghiêm trọng nhất hiện nay đối với thế giới có thể được giải quyết mà không cần phải kiềm chế: đưa mọi người lên mức sống hiện chỉ được hưởng bởi may mắn nhất; bảo vệ sinh quyển khỏi thiệt hại do giao thông và ô nhiễm công nghiệp; tìm kiếm không gian sống chất lượng cao cho dân số thế giới đang tăng gấp đôi cứ sau 35 năm; tìm kiếm nguồn năng lượng sạch, thiết thực; ngăn chặn sự quá tải cân bằng nhiệt của Trái Đất.

”

Sơ đồ các điểm Lagrange trong hệ Trái Đất-Mặt Trăng

Ông đã khám phá những khả năng của tàu lượn bay trong một thuộc địa không gian, phát hiện ra rằng khối lượng khổng lồ có thể hỗ trợ nhiệt điện trong khí quyển.[26] Ông tính toán rằng loài người có thể mở rộng trên biên giới nhân tạo này tới 20.000 lần dân số nơi đây.[27] Các thuộc địa ban đầu sẽ được xây dựng tại các điểm Lagrange L4 và L5 Trái Đất-Mặt Trăng.[28] L4 và L5 là những điểm ổn định trong Hệ Mặt Trời nơi tàu vũ trụ có thể duy trì vị trí của nó mà không tốn năng lượng. Bài báo này đã được đón nhận, nhưng nhiều người bắt đầu thực hiện dự án từng giới thiệu ý tưởng của mình trước khi nó được công bố.[21] Bài báo đã nhận được một vài phản hồi quan trọng. Một số người đặt câu hỏi về tính thực tiễn của việc nâng hàng chục ngàn người lên quỹ đạo và ước tính của ông về khả năng chế tạo các thuộc địa ban đầu.[29]

Trong khi chờ đợi bài báo khoa học của mình được công bố, O'Neill đã tổ chức một cuộc hội thảo nhỏ kéo dài hai ngày vào tháng 5 năm 1974 tại Princeton để thảo luận về khả năng thuộc địa hóa không gian ngoài thiên thể.[21] Hội nghị mang tên First Conference on Space Colonization (Hội nghị đầu tiên về Thuộc địa hóa Không gian), được tài trợ bởi Quỹ Point Foundation của Stewart Brand và Viện Đại học Princeton.[30] Trong số những người tham dự có Eric Drexler (lúc đó là sinh viên năm nhất tại MIT), nhà khoa học-phi hành gia Joe Allen (từ Nhóm Nhà Du hành vũ trụ số 6), Freeman Dyson, và phóng viên khoa học Walter Sullivan.[21] Các đại diện của NASA cũng tham dự và mang theo ước tính chi phí phóng dự kiến lên Tàu con thoi theo kế hoạch.[21] O'Neill nghĩ rằng những người tham dự là "một đám người cấp tiến táo bạo".[31] Bài viết của Sullivan về hội nghị này đã được đăng trên trang nhất của tờ The New York Times vào ngày 13 tháng 5 năm 1974.[32] Khi độ phủ truyền thông tăng lên, O'Neill tràn ngập trong đống lá thư từ những người hào hứng sống trong không gian.[33] Để giữ liên lạc với họ, O'Neill bắt đầu lưu một danh sách thư từ chuyển qua bưu điện và bắt đầu gửi thông tin cập nhật về tiến trình của mình.[21][34] Vài tháng sau, ông nghe Peter Glaser nói về các vệ tinh năng lượng Mặt Trời tại Trung tâm Du hành Không gian Goddard của NASA. O'Neill nhận ra rằng, bằng cách xây dựng các vệ tinh này, những thuộc địa không gian của ông có thể nhanh chóng thu hồi chi phí xây dựng của nó.[35] Theo O'Neill, "sự khác biệt sâu sắc giữa điều này và mọi thứ khác được thực hiện trong không gian là tiềm năng tạo ra một lượng lớn của cải mới".[6]

Nghiên cứu của NASA (1975–1977)

O'Neill đã tổ chức một hội nghị lớn hơn nhiều vào tháng 5 sau đó với tên gọi Princeton University Conference on Space Manufacturing (Hội nghị Viện Đại học Princeton về ngành Công nghiệp Không gian).[36] Tại hội nghị này, hơn hai chục diễn giả đã trình bày tham luận, bao gồm Keith và Carolyn Henson đến từ Tucson, Arizona.[37][38]

Sau hội nghị, Carolyn Henson đã sắp xếp một cuộc gặp giữa O'Neill và Nghị sĩ bang Arizona, Morris Udall. Udall đã viết một lá thư ủng hộ, mà ông đề nghị Hensons công khai, vì công việc của O'Neill.[37] Hensons đã đính kèm lá thư của mình trong số đầu tiên của bản tin Hội L-5, được phát cho mọi người trong danh sách gửi thư của O'Neill và những người đã đăng ký tại hội nghị.[37][39]

O'Neill ra làm chứng trước Tiểu ban Thượng viện Hoa Kỳ vào ngày 19 tháng 1 năm 1976

Vào tháng 6 năm 1975, O'Neill đã dẫn đầu một nghiên cứu kéo dài mười tuần về môi trường sống trong không gian cố định tại NASA Ames. Trong quá trình nghiên cứu, ông được gọi đi làm chứng vào ngày 23 tháng 7 cho Tiểu ban Hạ viện về Ứng dụng và Khoa học Không gian.[40] Ngày 19 tháng 1 năm 1976, ông cũng xuất hiện trước Tiểu ban Thượng viện về Công nghệ Hàng không Vũ trụ và Nhu cầu Quốc gia. Trong một bài thuyết trình nhan đề Solar Power from Satellites (Năng lượng Mặt Trời từ vệ tinh), ông đã đặt trường hợp của mình cho một chương trình theo phong cách Apollo để xây dựng các nhà máy điện trong không gian.[41] Ông trở lại Ames vào tháng 6 năm 1976 và 1977 để lãnh đạo các nghiên cứu về sản xuất trong không gian.[42] Trong các nghiên cứu này, NASA đã phát triển những kế hoạch chi tiết nhằm thiết lập các căn cứ trên Mặt Trăng là nơi mà các công nhân trong bộ đồ phi hành gia sẽ khai thác những loại tài nguyên khoáng sản cần thiết để xây dựng các thuộc địa không gian và các vệ tinh năng lượng Mặt Trời.[43]

Tài trợ tư nhân (1977–1978)

Mặc dù NASA đang hỗ trợ công trình của ông với số tiền tài trợ lên tới 500.000 đô la mỗi năm, O'Neill đã trở nên thất vọng bởi sự quan liêu và chính trị vốn có trong nghiên cứu do chính phủ tài trợ.[4][23] Ông nghĩ rằng các nhóm nhỏ được tư nhân tài trợ có thể phát triển công nghệ vũ trụ nhanh hơn các cơ quan chính phủ.[3] Năm 1977, O'Neill và vợ là Tasha đã thành lập Viện Nghiên cứu Không gian, một tổ chức phi lợi nhuận, tại Viện Đại học Princeton.[7][44] SSI nhận được tài trợ ban đầu gần 100.000 đô la từ các nhà tài trợ tư nhân, và đầu năm 1978 bắt đầu hỗ trợ nghiên cứu cơ bản về các công nghệ cần thiết cho sản xuất và định cư không gian.[45]

Kolm (trái) và O'Neill (giữa) với mass driver

Một trong những khoản tài trợ đầu tiên của SSI chính là việc phát triển mass driver, một thiết bị được O'Neill đề xuất lần đầu tiên vào năm 1974.[46][47] Mass driver dựa trên thiết kế cuộn dây, được điều chỉnh để tăng tốc một vật thể không từ tính.[48] Một ứng dụng mà O'Neill đưa ra cho mass driver là ném những khối quặng có kích thước cỡ bằng quả bóng chày được khai thác từ bề mặt Mặt trăng vào không gian.[49][50] Khi ở trong không gian, quặng có thể được sử dụng làm nguyên liệu thô để xây dựng các thuộc địa không gian và vệ tinh năng lượng mặt trời. Ông được phép nghỉ lễ Sabát ở Princeton nhằm tập trung vào mass driver tại MIT. Ở đó, ông là Giáo sư thỉnh giảng Hàng không vũ trụ Hunsaker trong niên khóa 1976–1977.[51] Tại MIT, ông, Henry H. Kolm, và một nhóm sinh viên tình nguyện đã chế tạo nguyên mẫu mass driver đầu tiên của họ.[31][42][46] Nguyên mẫu dài 8 feet (2,5 m) có thể áp dụng gia tốc 33 g (320 m/s2) cho một vật được chèn vào nó.[31][42][49] Nhờ sự hỗ trợ tài chính từ SSI, các nguyên mẫu sau này đã cải thiện khả năng này lên 1,800 g (18,000 m/s2), tăng tốc đủ để một mass driver chỉ dài 520 feet (160 m) có thể phóng vật liệu ra khỏi bề mặt Mặt Trăng.[42]

Chống đối (1977–1985)

Năm 1977, O'Neill đã chứng kiến ​​đỉnh cao của sự quan tâm đến thuộc địa hóa không gian, cùng với việc xuất bản cuốn sách đầu tiên của ông, The High Frontier.[37] Ông và vợ liên tục bay đi bay về giữa các cuộc họp, phỏng vấn và điều trần.[6] Vào ngày 9 tháng 10, chương trình 60 Minutes của CBS đã phát một đoạn phim về các thuộc địa không gian. Sau đó, họ phát sóng phản hồi từ người xem, trong đó có một phản hồi từ Thượng nghị sĩ William Proxmire, Chủ tịch Tiểu ban Thượng viện chịu trách nhiệm về ngân sách của NASA. Câu trả lời của ông là, "đó là lý lẽ tốt nhất cho việc cắt tài trợ của NASA đến tận xương tủy.... Tôi nói không chi trả một xu cho loại tưởng tượng điên rồ này".[52] Ông đã loại bỏ thành công chi tiêu cho nghiên cứu thuộc địa không gian ra khỏi ngân sách.[53] Năm 1978, Paul Werbos đã viết cho bản tin L-5, "không ai mong muốn Quốc hội cam kết với chúng tôi về khái niệm môi trường không gian quy mô lớn của O'Neill; mọi người ở NASA gần như hoang tưởng về các khía cạnh quan hệ công chúng của ý tưởng này".[54] Khi rõ ràng rằng một nỗ lực thuộc địa do chính phủ tài trợ là không thể về mặt chính trị, sự ủng hộ của công chúng dành cho các ý tưởng của O'Neill bắt đầu tan thành mây khói.[37]

Những áp lực khác đối với kế hoạch thuộc địa của O'Neill là chi phí cao cho việc tiếp cận quỹ đạo Trái đất và chi phí năng lượng giảm. Xây dựng các trạm năng lượng mặt trời trong không gian rất hấp dẫn về mặt kinh tế khi giá năng lượng tăng vọt trong cuộc khủng hoảng dầu mỏ năm 1979. Khi giá dầu giảm vào đầu những năm 1980, việc tài trợ cho nghiên cứu năng lượng mặt trời đã cạn kiệt.[55] Kế hoạch của ông cũng dựa trên ước tính của NASA về tốc độ bay và chi phí phóng của Tàu con thoi, những con số hóa ra rất lạc quan. Cuốn sách năm 1977 của ông đã trích dẫn chi phí phóng Tàu con thoi trị giá 10 triệu đô la, nhưng vào năm 1981, giá trợ cấp dành cho khách hàng thương mại bắt đầu ở mức 38 triệu đô la.[56][57] Một bản kê khai năm 1985 về toàn bộ chi phí cho một vụ phóng năm 1985 đã tăng lên tới 180 triệu đô la mỗi chuyến bay,[58] và những ước tính sau này khi chương trình Tàu con thoi gần kết thúc vào năm 2011 vẫn cao hơn nhiều lần.

O'Neill được Tổng thống Mỹ Ronald Reagan bổ nhiệm vào Ủy ban Quốc gia về Không gian năm 1985.[7] Ủy ban, do cựu quản trị viên của NASA Thomas Paine, đề xướng rằng chính phủ cam kết mở rộng Hệ Mặt Trời bên trong dành cho con người định cư trong vòng 50 năm.[59] Báo cáo của họ được phát hành vào tháng 5 năm 1986, bốn tháng sau khi tàu con thoi Challenger nổ tung trên không trung.[59]