Hàbitat espacial

Un parell dels cilindres d'O'Neill.

Collage de figures i taules de l'hàbitat espacial Bou de Stanford, procedents del llibre «Space Settlements: A Design Study». Charles Holbrow i Richard D. Johnson, NASA, 1977.

Interior d'una estació toroidal.

Un hàbitat espacial (també cridat una colónia orbital, colónia espacial, ciutat o assentament) és una estació espacial construïda com un assentament permanent en lloc de solament una estació de trànsit o una atra instalació especialisada. Cap hàbitat espacial ha segut construït encara, pero molts dissenys han segut proposts en variat grau de realisme tant per ingeniers com per autors de ciència ficció.

Història

Descripció d'una estació espacial de roda giratòria en The Problem of Space Travel (en castellà: El Problema del Viage Espacial) d'Hermann Noordung de 1929.

Aproximadament en 1970, prop del final del Proyecte Apollo, Gerard K. O'Neill, un físic experimental, estava buscant un tema que tentara als seus estudiants físics, la major part dels quals eren alumnes de primer any d'ingenieria. Se li va ocórrer la creativa idea d'assignar-los la realisació dels càlculs de factibilidad per a grans hàbitats espacials. Per a la seua sorpresa, els hàbitats semblaven ser factibles inclús per als de molt gran tamany: cilindres de 8 km (5 milles) de diàmetro i 34 km (20 milles) de llarc, inclús si eren construïts en materials ordinaris com a acer i vidre. També, els estudiants varen resoldre problemes tals com a protecció contra la radiació dels rajos còsmics, l'obtenció d'ànguls cap al Sol realistes, recapte d'energia, agricultura lliure de plagues realista i control d'actitut orbital sense motors de reacció. O'Neill va publicar un artícul sobre estes propostes de colónies en Physics Today en 1974. En l'ilustració anterior es pot vore una de tals colónies, una clàssica Colónia O'Neill. L'artícul va ser expandit en el seu llibre de 1976 titulat en espanyol Ciutats de l'Espai.

El resultat va motivar a la NASA a favorir un parell de tallers d'estiu liderats pel Dr. O'Neill. Varis dissenys varen ser estudiats, alguns en profunditat, en capacitats variant entre 1.000 a 100.000 persones.

En un temps, la colonisació era definitivament vista com un fi en sí mateixa. La proposta bàsica d'O'Neill tenia un eixemple d'un esquema de pagament: la construcció de satèlits per a energia solar a partir de materials extrets des de la Lluna. L'intenció d'O'Neill no era construir satèlits per a energia solar com a tals, sino més be entregar una prova de que la fabricació orbital a partir de materials llunars podria generar beneficis. Ell, i atres participants, presumien que una volta que tals instalacions de fabricació estigueren funcionant, molts atres usos rendables podrien ser trobats per a estes, i la colónia seria autosustentable i també podria escomençar a construir atres colónies.

Les propostes i estudis varen generar un notable interés públic. Un efecte d'esta expansió va ser la fundació de la Societat L5 en Estats Units, un grup d'entusiasta que desija construir i viure en tals colónies. El grup va ser nomenat per l'òrbita que es creïa era les més rendable per a una colónia espacial, una òrbita en forma de renyó entorn ya siga dels punts de Lagrange 5 o 4 de la Terra.

Vista interior de Branca, un hàbitat cilíndric mòvil en la série Cita en Branca d'Arthur C. Clarke.

En esta era, el Dr. O'Neill va fundar el Space Studies Institute, que inicialment va finançar i va construir prototips dels equips radicalment nous que seran necessaris per a portar a terme un esforç de colonisació espacial, aixina com una cantitat d'artículs sobre estudis de factibilidad. Un dels primers proyectes, per eixemple, va ser una série de prototips funcionals d'una catapulta electromagnètica, la tecnologia essencial en ser usada per a moure econòmicament mena des de la Lluna a les òrbites de la colónies espacials.

Els hàbitats espacials han inspirat una gran cantitat de societats fictícies en la ciència ficció. Algunes de les més populars i reconeixibles és l'univers Gundam japonés i l'estació espacial de Babylon 5.

Motivació

Les motivacions per a la construcció de colónies espacials són variades entre unes atres: supervivència, seguritat, energia, extracció de matèries primeres i monetàries.

Els hàbitats espacials són immunes a la major part dels desastres naturals que sofrix la Terra, tals com, terremots, activitat volcànica, huracans, inundacions i tornados. Un hàbitat espacial pot ser el compartimiento de passagers d'una gran nau espacial en destí a colonisar asteroides, llunes, estreles distants o atres planetes (vore també: Espai i supervivència). Dispersar la nostra població en múltiples hàbitats espacials autosuficients a través del sistema solar incrementarà les nostres possibilitats de supervivència com a espècie en cas que ocórrega algun desastre global en la Terra.

L'espai està lliteralment ple en llum produïda pel Sol. En l'òrbita de la Terra, esta alcança 1400 watts d'energia per metro quadrat. Esta pot ser usada per a produir electricitat usant cèlules fotovoltaiques o motors de calor instalats en estacions generadores d'energia, i proporcionant llum per a que les plantes creixquen i per a calefaccionar les colónies espacials, o per a calfar planetes més frets (com Mart).

La major part dels asteroides són una mescla dels materials mencionats anteriorment, virtualment tots els elements estables de la taula periòdica poden ser trobats en els asteroides i cometas i més important, degut a que estos cossos no tenen pous de gravetat substancials, és molt fàcil traure els materials obtinguts d'ells i transportar-los al lloc de construcció.

S'estima que existix suficient material en el cinturó principal d'asteroides per a construir hàbitats espacials igual a la superfície habitable de 3.000 planetes Terra.

Generació d'energia

Les colónies tindrien un constant accés a l'energia solar fins a molt grans distàncies del Sol. La falta de pes permet la construcció de grans estructures endebles tals com a espills per a concentrar la llum del sol.

Recursos

Els hàbitats espacials poden ser abastides en recursos des de llocs extraterrestres tals com Mart, els asteroides o la Lluna (utilisació de recursos in-situ (de l'anglés: In-Situ Resource Utilization, ISRU); vore també mineria en els asteroides). Un podria produir oxigen per a respiració, aigua potable, i combustible per a eixides en l'ajuda de el ISRU. Inclús pot ser possible construir panels solars a partir de materials llunars.

Població

Els hàbitats poden ser construïts per a tindre una immensa capacitat de població. Usant els recursos que suren lliures en el sistema solar, els actuals estimats s'estenen en trillons.

Comercie

El comerç entre la Terra i els hàbitats espacials seria més fàcil que un comerç entre la Terra i una colónia planetària, ya que les colónies orbitando a la Terra no tenen que superar un pou de gravetat per a exportar cap a esta, i un pou de gravetat més chicotet que superar per a importar des de la Terra.

Desembós de capital inicial

Inclús el més chicotet dels dissenys per a hàbitats mencionats és més massiu que la massa total de tot lo llançat per l'Humanitat cap a òrbita terrestre. Els prerrequisitos per a construir hàbitats són costs de llançament més barats o una base de mineria i fabricació en la Lluna o un atre cos que tinga una baixa delta-v des de la locación desijada per a l'hàbitat.

Sistemes de soport vital interns

Pressió de l'aire, en pressions parcials d'oxigen normals, diòxit de carbono i nitrogen, és un requeriment bàsic de qualsevol hàbitat espacial. Bàsicament la major part dels dissenys de colónies proponen grans contenidors de pressió de parets primes, L'oxigen requerit podria ser obtingut des de les roques llunars. El nitrogen és més fàcil d'obtindre des de la Terra, pero també és casi perfectament reciclable. També el nitrogen és la forma d'amoni pot ser obtingut dels cometes i llunes dels planetes exteriors. El nitrogen també pot obtindre's en cantitats desconegudes en certs atres cossos en el sistema solar exterior. L'aire d'una colónia podria ser reciclat en vàries formes. El método més obvi és usar jardins fotosintéticos, possiblement via hidroponía o boscs. No obstant, açò no elimina certs contaminants industrials, tals com a olis volàtils i excés de gasos moleculars simples. El método estàndar usat en submarins nuclears, una forma similar d'ambient tancat, és usar un cremador catalític, que efectivament elimina la major part dels contaminants orgànics. Protecció adicional podria ser proveïda per un chicotet sistema de destilació criogènica que eliminaria gradualment les impurees tals com a vapor de mercuri i gasos nobles que poden ser cremats catalíticamente.

Els materials orgànics per a la producció de menjar també necessiten ser proveïts. Al principi, la major part tindrien que ser importats des de la Lluna, asteroides o la Terra. Despuix d'això, el reciclamiento deuria reduir la necessitat de les importacions. Un método de reciclage propost escomençaria cremant el destilat criogènic, les plantes, el fem i les aigües residuals en aire i un arc elèctric, i destilant a continuació el resultat. El diòxit de carbono i l'aigua resultant podrien ser utilisables directament per l'agricultura. Els nitrat i les sals en la cendra podrien ser dissolts en aigua i separats en minerals purs. La major part dels nitrat, potassi i sals de sodi serien efectivament reciclats com a fertilisants. Atres minerals contenint ferro, níquel i silici podrien ser purificats químicament en lots i reusados industrialmente. La chicoteta fracció de materials restants, be per baix del 0,01% del pes, podrien ser processats en elements purs en espectrometria de massa de gravetat zero i agregats en les cantitats apropiades als fertilisants i suministraments industrials. Este método actualment solament existix com prova de concepte sent considerat en els estudis de la NASA. Lo més provable és que este método seria molt perfeccionat quan la gent escomençarà a viure realment en hàbitats espacials.

Gravetat artificial

Artícul principal → Gravetat artificial.

Els estudis en òrbita de llarc determini han provat que la gravetat zero debilita els ossos i els músculs i pertorba el metabolisme del calcio i el sistema immune. La major part de les persones han sofrit problemes de vies respiratòries congestionades i sinusitis, i atres poques han segut afectades per dramàtics i incurables marejos. La major part dels dissenys de colónies espacials rotarían per a usar la força inercial resultant per a simular gravetat. Els estudis de la NASA en pollets i plantes han provat que açò és un efectiu substitut fisiològic de la gravetat. Girar ràpidament el cap en ambient semblant causa que se senta un inclinament degut a que l'oït intern es mou a una diferent taxa de rotació. Els estudis realisats en centrífugues mostren que les persones sofrixen de marejos en hàbitats en un radi de rotació de menys de 100 metros, o en una taxa de rotació de sobre 3 rotacions per minut. No obstant, usant els mateixos estudis i estadístiques es pot inferir que casi totes les persones deurien ser capaces de viure confortablemente en hàbitats en un radi de rotació de més de 500 metros i en una rotació inferior a 1 rotació per minut. Les persones en més experiència no varen anar solament més resistents als marejos, sino que podien determinar les direccions "spinward" (en sentit del gir) i "antispinward" (en contra del sentit del gir) en les centrífugas.

Protecció d'ambient extern hostil

Radiació: Els estudis han mostrat que els grans hàbitats espacials podrien ser efectivament protegits dels rajos gamma per la seua estructura i l'aire i que estos podrien substituir la muralla de dos metros d'acer que seria necessària sense ells. Els hàbitats més chicotets podrien ser protegits per bosses de roca estacionarias (no rotatòries). La llum solar podria ser admesa indirectament via espills en fulls a prova de radiació, que funcionarien de la mateixa forma com un periscopi. Si el hàbitat espacial està localisat en L4 o L5, llavors la seua òrbita ho duria fòra de la protecció de la magnetósfera de la Terra per aproximadament dos terços del temps (com succeïx en la Lluna), posant als residents en risc de sofrir una exposició a protones dins del vent solar.

Vore també Amenaces la salut pels rajos còsmics

Rebuig de la calor: La colónia està en un buit, i per lo tant s'assembla a una jaganta botella termal. La relació entre la llum solar i l'energia radiada podria ser reduïda i controlada per grans finestres veneciano. Els hàbitats també necessiten un radiador per a eliminar la calor produïda per la llum solar absorbida i dels organismes i estructures contingudes en ella. Els hàbitats molt chicotets podrien tindre una vela central que trencada en la colónia. En este disseny, la convecció elevaria l'aire calent cap a "dalt" (cap al centre), i l'aire fret cauria cap a l'exterior de l'hàbitat. Alguns atres dissenys distribuirien refrigerants, tals com a aigua gelada des d'un radiador central.

Objectes estranys: El hàbitat necessitaria resistir els potencials impactes de fem espacial, meteorits, pols, etc. Un radar vigilaria les afores de cada hàbitat mapeando la trayectòria dels restants i atres objectes fabricats per l'home i permetria que accions correctivas pogueren ser preses per a protegir a l'hàbitat. Els chocs en meteorits serien un risc molt major per a un hàbitat que per a la Terra, a menos que poguera ser desenrollat un método per a evitar-los, degut a que un hàbitat no posseïx una atmòsfera protectora.

Transport i maniobra

Mantención d'òrbita: l'òrbita òptima de l'hàbitat està encara en discussió, i aixina la mantención d'òrbita és provablement un tema comercial. Les òrbites llunars L4 i L5 no es consideren que estiguen massa llunt ya siga de la Terra o de la Lluna. Una proposta més moderna és usar una òrbita de resonància de dos a un que alternadamente tinga una aproximació propenca de baixa energia (barata) a la Lluna, i posteriorment lo mateix sobre la Terra. Açò proporciona un accés ràpit i barat tant als materials en bruto com al mercat principal. La major part dels dissenys de colónies planegen usar un sistema de propulsió de corda electromagnètica o una catapulta electromagnètica com a motors d'eixida. La ventaja d'estos és que no usen cap o barata massa de reacció.

Control d'actitut: La major part de les geometria d'espill requerixen que alguna cosa en el hàbitat siga apuntat cap al Sol de tal forma que un sistema de control d'actitut és necessari. El disseny original d'O'Neill usava dos cilindres com una roda de momentum per a fer girar a la colónia i espentar els pivots simultàneament cap al sol o separar-los per a usar el seu precesión per a canviar el seu àngul. Dissenys posteriors rotaban el pla de la seua òrbita, en les seues finestres apuntant en àngul recte respecte a llum solar i usar espills llaugers que podrien ser controlats per chicotets motors elèctrics per a que seguiren al Sol.

Dissenys/soluciones

Dissenys de la NASA

Dissenys proposts en estudis de la NASA inclouen: Esfera de Bernal: "Island One", un hàbitat esfèric per a aproximadament 20.000 persones. Bou de Stanford: Una alternativa més gran a "Island One." Cilindre d'O'Neill: "Island Three" (image mostrada en l'artícul), un disseny encara més gran. Lewis One: Un cilindre d'un radi de 250 m en una protecció contra la radiació no rotatòria. L'escut també protegix a l'espai industrial de microgravedad. La part rotatòria és de 450 m de llarc i té varis cilindres interiors. Alguns d'ells són usats per a l'agricultura.

Kalpana One, revisat: Un curt cilindre en un radi de 250 m i 325 m de llarc. L'escut contra la radiació és de 10 t/m² i trencada. Té varis cilindres interiors per a agricultura i recreació.

Una "bola": una nau espacial o hàbitat conectat per un cable a un contrapeso o un atre hàbitat. Este disseny ha segut propost per a ser usat com a nau a Mart, com a espai de habitacions per a ser usat en la construcció inicial d'un hàbitat espacial i com un hotel orbital. Té un llarc i llent radi rotacional per a una massa d'estació relativament chicoteta. També, si alguna cosa de l'equipament pot formar el contrapeso, l'equipament dedicat a la gravetat artificial és solament un cable, i per lo tant té una fracció de massa més chicoteta que atres dissenys. Açò ho convertix en un disseny tentador per a una nau d'espai profunt. Per a habitabilitat de llarc determini, no obstant, l'escut contra la radiació deu rotar en el hàbitat, i est és extremadament pesat, aixina requerint un cable molt més fort i pesat.
"Hàbitats en forma de abalorio": Este disseny especulatiu també va ser considerat pels estudis de la NASA, i es va trobar que tenien una fracció de massa d'estructura equivalent i per lo tant costs comparables. chicotets hàbitats serien produïts en massa a estàndarts que permeteren que estos pogueren ser interconectados entre sí. Un sol hàbitat podria operar com una "bola". No obstant, atres hàbitats podrien ser conectats, creixent en una espècie de "mancuerna" després en una "corbata de llaç", després en forma d'anell, posteriorment en un cilindre de "contes" o "abalorio" i finalment una estructura de cilindres. Cada etapa de creiximent compartix més protecció contra la radiació i equipament bàsic, incrementant la redundància i seguritat mentres els costs per persona es reduïxen. Este disseny va ser propost originalment per un arquitecte professional degut a que pot créixer de forma molt similar a com ho fan les ciutats en la superfície de la Terra, en inversions individuals incrementals, a diferència de dissenys que requerixen un gran inversió inicial. La principal desventaja és que les versions més chicotetes usen una gran cantitat d'estructura per a recolzar la protecció contra la radiació, la que trencada en ells. En les versions més grans, l'escut es torna econòmic, ya que creix al quadrat del radi de la colónia. La cantitat de persones, els seus hàbitats i els radiadors per a refrigerar-los creixen aproximadament a la gaveta del radi de la colónia.

Nautilus-X Vehícul d'Exploració Espacial Multi-Missió (en anglés: Multi-Mission Space Exploration Vehicle, MMSEV): esta proposta de la NASA de l'any 2011 per a un vehícul de transport espacial tripulat de gran autonomia inclou un hàbitat espacial en gravetat artificial ideat per a mantindre la salut d'una tripulació de fins a sis persones en missions de fins a dos anys de duració. La centrífuga d'anell toroidal de g-parcial utilisaria tant una estructura metàlica estàndar com a estructures de naus espacials inflables i proporcionaria 0,11 a 0,69g si es construïx en l'opció de 40 pies (12 m) de diàmetro. A partir de l'any 2011, desenrollar i construir el NAUTILUS-X "prendria a lo manco cinc anys i requeriria dos o tres llançaments, i costaria aproximadament $3,7 mil millons." La NASA ha publicat una curta animació de la NAUTILUS-X en l'espai; el víncul està inclós més avall, en la secció de #Enllaços externs.

Demostrador de centrifugador de gravetat artificial per a l'Estació Espacial Internacional: També proposta en l'any 2011 com un proyecte de demostració preparatori per al disseny final d'un gran hàbitat espacial en centrífuga toroidal per al Vehícul d'Exploració Espacial Multi-Missió. L'estructura tindria un diàmetro exterior de 30 pies (9 m) en un diàmetro interior de l'anell de 30 pulgadas (76 cm) i proporcionaria entre 0,08 a 0,51g de gravetat parcial. Esta centrífuga de prova i evaluació tindria la capacitat de convertir-se en un mòdul dormitori per a la tripulació de la ISS.

Galeria

• 
  Estació espacial Bola
• Erro al crear miniatura:
  Nau espacial a Mart Bola
• 
  Estació espacial orbital Kalpana One
• Erro al crear miniatura:
  Evolució de hàbitats de abalorios (contes de collar)

Món Bombeta

El món bombeta o el concepte Interior/Exterior es va originar en 1964 per Dandridge M. Cole i Donald W. Cox en un llibre cridat Islands in Space: The Challenge of the Planetoids (en castellà: Illes en l'Espai: El Desafiu dels Planetoides).

El concepte tracta sobre perforar un túnel a través d'eix més llarc d'un gran asteroide compost per ferro o ferro-níquel i omplir-ho en una substància volàtil, possiblement aigua. Un molt gran reflector solar seria construït en les seues rodalies, enfocant la calor generada pel Sol sobre l'asteroide, primer per a soldar i sagellar els extrems del túnel, després d'una forma més difusa per a calfar llentament tota la superfície. En la mida que el metal se suavisa, l'aigua en l'interior s'expandix i infla la massa de l'asteroide, mentres que les forces rotacionales ajuden a formar un cilindre en este material. Una volta expandit se li permetrà gelar-se, pot ser posat a girar per a produir gravetat artificial, i també ser reblit en sol, aire i aigua. En crear un chicotet abultamiento en el mig del cilindre, es pot crear un llac en forma d'anell. Els reflectores permetran a la llum solar entrar i ser dirigits a a on siga necessari. Clarament este método requeriria una significativa presència humana i industrial en l'espai per a que siga factible.

El concepte de món bombeta va ser popularisat per l'autor de ciència ficció Larry Niven en els seus relats del fictici Espai Conegut, que descriuen tals móns com els hàbitats principals dels Belters, una civilisació que va colonisar l'Anell d'Asteroides.

Dissenys hipotètics

En 1990, a mida que la potencial utilitat dels nanotubos de carbono com a material estructural es tornaven aparents, algunes proposts varen sorgir per a hàbitats moltíssim més grans prenent ventaja de l'us d'este material. La tecnologia per a produir nanotubos del llarc requerit no es troba disponible, aixina que estos dissenys permaneixen com una especulació.

Anell de Bishop: Un bou d'1.000 km de radi, 500 km d'ample, i en muralles per a la retenció de l'atmòsfera de 200 km d'alt. El disseny seria lo suficientment gran que podria ser un "sense sostre", obert a l'espai en la vora interior.
Cilindre de McKendree: Cilindres pareados en la mateixa idea que la del disseny de Cilindre/Illa Tres d'O'Neill, cada u en un radi de 460 km, i 4.600 km de llarc (comparat en els 3,2 km de radi i 32 km de llarc en el disseny d'Illa Tres).

Estació Espacial Comercial Bigelow

L'Estació Espacial Comercial Bigelow de la Següent Generació va ser anunciada a mitan de l'any 2010. La construcció inicial de l'estació s'espera que comence el 2014/2015, i consistirà en dos mòduls Sundancer i un mòdul BA-330. Bigelow ha mostrat públicament configuracions de disseny de l'estació espacial en fins a nou mòduls BA-300 contenint 2.831 m³ d'espai habitable Bigelow va escomençar a referir-se públicament, en octubre de 2010, a la configuració inicial -de dos mòduls Sundancer i un mòdul BA-330- com a Complex Espacial Alfa.

Bigelow va anunciar recentment que té acorts en sis estats sobirans per a utilisar instalacions orbitales de l'estació espacial comercial: Regne Unit, Holanda, Austràlia, Singapur, Japó i Suècia.

Vore també

Transhab Colonisació de l'espai Colonisació d'asteroides Estació espacial Nau generacional Nautilus-X Amenaces a la salut pels rajos còsmics Fabricació en l'espai Habitació espacial inflable Estacions espacials i hàbitats en la ficció A Mart per a quedar-se Lloc d'alvançada humà (hàbitat humà controlat creat artificialment) Meteorologia de l'espai La Lluna de rajoles

Referències

Notes

Taula de continguts per als estudis de la NASA [5] archivat en Wayback Machine.. Vore els llibres en llínea cap a la mitat de la pàgina (en anglés).

Enllaços externs

Lifeboat Foundation Space Habitats, un grup de respal als hàbitats espacials. (en anglés) Paul Lucas (2005), Homesteading the High Frontier: The Shape of Space Stations to Menja, Strange Horizons (en anglés) Animació de la NASA de el NAUTILUS-X en l'espai (en anglés)

Vídeo explicatiu sobre la rotació de hàbitats espacials (anglés)

NPR visualisació d'una gran colónia en un hàbitat espacial, maig de 2011 (en anglés).