Hábitat espacial

Un par de cilindros O'Neill

Vista interior de un cilindro O'Neill, que muestra franjas de tierra y ventanas alternadas

Un hábitat espacial (también llamado asentamiento espacial, colonia espacial, propiedad espacial, espacio ciudad, hábitat orbital, asentamiento orbital, colonia orbital, plaza orbital o orbital ciudad) es una forma más avanzada de vivienda que una estación espacial o un módulo habitacional, ya que está pensada como un asentamiento permanente o un hábitat verde en lugar de una simple estación de paso u otra instalación especializada. Aún no se ha construido ningún hábitat espacial, pero muchos conceptos de diseño, con diversos grados de realismo, provienen tanto de ingenieros como de autores de ciencia ficción.

El término hábitat espacial a veces incluye hábitats más generales construidos sobre o en un cuerpo que no sea la Tierra, como la Luna, Marte o un asteroide. Este artículo se concentra en las estructuras autónomas previstas para entornos de micro-g.

Definición

Un hábitat espacial, o más precisamente un asentamiento espacial, es cualquier instalación habitacional a gran escala en el espacio, o más particularmente en el espacio exterior o en una órbita. Un hábitat espacial generalmente está diseñado para rotar a fin de evitar la exposición a largo plazo de sus residentes al peligro de la ingravidez o la microgravedad; Los estudios han demostrado que la rotación es un sustituto saludable de la gravedad.

Aunque no constituye automáticamente una entidad colonial, un hábitat espacial puede ser un elemento de una colonia espacial. El término "colonia espacial" ha sido visto de forma crítica, lo que llevó a Carl Sagan a proponer el término ciudad espacial.

Historia

La idea de los hábitats espaciales en la realidad o en la ficción se remonta a la segunda mitad del siglo XIX. 'The Brick Moon', una historia ficticia escrita en 1869 por Edward Everett Hale, es quizás el primer tratamiento escrito de esta idea. En 1903, el pionero espacial Konstantin Tsiolkovsky especuló sobre hábitats espaciales cilíndricos giratorios, con plantas alimentadas por el sol, en Más allá del planeta Tierra. En la década de 1920, John Desmond Bernal y otros especularon sobre hábitats espaciales gigantes. Dandridge M. Cole, a fines de la década de 1950 y 1960, especuló sobre vaciar asteroides y luego rotarlos para usarlos como asentamientos en varios artículos de revistas y libros, en particular Islas en el espacio: el desafío de los planetoides.

Motivación

A Stanford torus interior

Stanford torus exterior

Hay una variedad de razones para los hábitats espaciales. Además de la exploración espacial apoyada por vuelos espaciales humanos y la colonización espacial, las razones para los hábitats espaciales incluyen:

• Supervivencia de la civilización humana y la biosfera, en caso de desastre en la Tierra (natural o hecho por el hombre)
• Recursos enormes en el espacio para la expansión de la sociedad humana
• Ampliación sin ecosistemas para destruir o desplazar a los pueblos indígenas
• Podría ayudar a la Tierra al aliviar la presión de la población y quitar la industria de la Tierra.

Ventajas

Se presentan varios argumentos a favor de que los hábitats espaciales tengan una serie de ventajas:

Acceso a la energía solar

El espacio tiene una gran cantidad de luz producida por el Sol. En órbita terrestre, esto equivale a 1400 vatios de potencia por metro cuadrado. Esta energía se puede utilizar para producir electricidad a partir de células solares o centrales eléctricas basadas en motores térmicos, procesar minerales, proporcionar luz para que crezcan las plantas y calentar los hábitats espaciales.

Pozo de gravedad exterior

El comercio de hábitats de la Tierra al espacio sería más fácil que el comercio de hábitats de la Tierra al planeta, ya que los hábitats que orbitan la Tierra no tendrán un pozo de gravedad que superar para exportar a la Tierra, y un pozo de gravedad más pequeño que superar para importar desde la Tierra.

Utilización de recursos in situ

Los hábitats espaciales pueden recibir recursos de lugares extraterrestres como Marte, asteroides o la Luna (utilización de recursos in situ [ISRU]; consulte Minería de asteroides). Uno podría producir oxígeno respirable, agua potable y combustible para cohetes con la ayuda de ISRU. Puede ser posible fabricar paneles solares a partir de materiales lunares.

Asteroides y otros cuerpos pequeños

La mayoría de los asteroides tienen una mezcla de materiales, que podrían extraerse, y debido a que estos cuerpos no tienen pozos de gravedad sustanciales, se requeriría un delta-V bajo para extraer materiales de ellos y transportarlos a un sitio de construcción.

Se estima que hay suficiente material solo en el cinturón principal de asteroides para construir suficientes hábitats espaciales para igualar el área de superficie habitable de 3000 Tierras.

Población

Una estimación de 1974 asumió que la recolección de todo el material en el cinturón principal de asteroides permitiría construir hábitats para dar una inmensa capacidad de población total. Usando los recursos flotantes del Sistema Solar, esta estimación se extendió a billones.

Recreación de gravedad cero

Si se incluye un área grande en el eje de rotación, se pueden practicar varios deportes de gravedad cero, como natación, ala delta y el uso de aeronaves de propulsión humana.

Compartimiento de pasajeros

Un hábitat espacial puede ser el compartimiento de pasajeros de una gran nave espacial para colonizar asteroides, lunas y planetas. También puede funcionar como una nave generacional para viajar a otros planetas o estrellas distantes (L. R. Shepherd describió una nave estelar generacional en 1952 comparándola con un pequeño planeta con muchas personas viviendo en él).

Requisitos

El flujo de aire sobre el horizonte, capturado del ISS

Los requisitos para un hábitat espacial son muchos. Tendrían que proporcionar todas las necesidades materiales para cientos o miles de humanos, en un ambiente en el espacio que es muy hostil para la vida humana.

Ambiente

La presión del aire, con presiones parciales normales de oxígeno (21 %), dióxido de carbono y nitrógeno (78 %), es un requisito básico de cualquier hábitat espacial. Básicamente, la mayoría de los conceptos de diseño de hábitats espaciales prevén grandes recipientes a presión de paredes delgadas. El oxígeno requerido podría obtenerse de la roca lunar. El nitrógeno se obtiene más fácilmente de la Tierra, pero también se recicla casi a la perfección. Además, el nitrógeno en forma de amoníaco (NH3) puede obtenerse de los cometas y las lunas de los planetas exteriores. El nitrógeno también puede estar disponible en cantidades desconocidas en otros cuerpos del Sistema Solar exterior. El aire de un hábitat podría reciclarse de varias maneras. Un concepto es usar jardines fotosintéticos, posiblemente a través de hidroponía o jardinería forestal. Sin embargo, estos no eliminan ciertos contaminantes industriales, como los aceites volátiles y el exceso de gases moleculares simples. El método estándar que se usa en los submarinos nucleares, una forma similar de ambiente cerrado, es usar un quemador catalítico, que descompone efectivamente la mayoría de los compuestos orgánicos. Se podría proporcionar una mayor protección mediante un pequeño sistema de destilación criogénica que eliminaría gradualmente las impurezas, como el vapor de mercurio y los gases nobles que no pueden quemarse catalíticamente.

Producción de alimentos

También sería necesario proporcionar materiales orgánicos para la producción de alimentos. Al principio, la mayoría de estos tendrían que ser importados de la Tierra. Después de eso, el reciclaje de heces debería reducir la necesidad de importaciones. Un método de reciclaje propuesto comenzaría quemando el destilado criogénico, las plantas, la basura y las aguas residuales con aire en un arco eléctrico y destilando el resultado. El dióxido de carbono y el agua resultantes serían inmediatamente utilizables en la agricultura. Los nitratos y las sales de las cenizas podían disolverse en agua y separarse en minerales puros. La mayoría de los nitratos, potasio y sales de sodio se reciclarían como fertilizantes. Otros minerales que contienen hierro, níquel y silicio podrían purificarse químicamente en lotes y reutilizarse industrialmente. La pequeña fracción de materiales restantes, muy por debajo del 0,01 % en peso, podría procesarse en elementos puros con espectrometría de masas de gravedad cero y agregarse en cantidades apropiadas a los fertilizantes y existencias industriales. Es probable que los métodos se perfeccionen mucho a medida que las personas comiencen a vivir realmente en hábitats espaciales.

Gravedad artificial

Los estudios a largo plazo en órbita han demostrado que la gravedad cero debilita los huesos y los músculos y altera el metabolismo del calcio y el sistema inmunológico. La mayoría de las personas tienen una congestión nasal continua o problemas de sinusitis, y algunas personas tienen mareos por movimiento dramáticos e incurables. La mayoría de los diseños de hábitat rotarían para usar fuerzas de inercia para simular la gravedad. Los estudios de la NASA con pollos y plantas han demostrado que este es un sustituto fisiológico eficaz de la gravedad. Girar la cabeza rápidamente en un entorno de este tipo provoca una "inclinación" para ser sentido como los oídos internos de uno se mueven a diferentes velocidades de rotación. Los estudios de centrífuga muestran que las personas se marean en hábitats con un radio de rotación de menos de 100 metros, o con una velocidad de rotación superior a 3 rotaciones por minuto. Sin embargo, los mismos estudios e inferencias estadísticas indican que casi todas las personas deberían poder vivir cómodamente en hábitats con un radio de rotación superior a 500 metros y por debajo de 1 RPM. Las personas experimentadas no solo eran más resistentes al mareo por movimiento, sino que también podían usar el efecto para determinar el movimiento "girando" y "antigiro" direcciones en las centrífugas.

Protección contra la radiación

Langley's Mars Ice Dome diseño de 2016 para una base de Marte utiliza agua congelada para mejorar la protección.

Si un hábitat espacial está ubicado en L4 o L5, su órbita lo llevará fuera de la protección de la magnetosfera de la Tierra durante aproximadamente dos tercios del tiempo (como sucede con la Luna), poniendo a los residentes en riesgo de exposición a los protones del viento solar (ver Amenaza para la salud de los rayos cósmicos). Las paredes de agua o de hielo pueden brindar protección contra la radiación solar y cósmica, ya que 7 cm de profundidad del agua bloquean aproximadamente la mitad de la radiación incidente. Alternativamente, la roca podría usarse como escudo; 4 toneladas métricas por metro cuadrado de superficie podrían reducir la dosis de radiación a varios mSv o menos anualmente, por debajo de la tasa de algunas áreas pobladas de fondo natural de la Tierra. Los conceptos alternativos basados en blindaje activo aún no se han probado y son más complejos que dicho blindaje de masa pasivo, pero el uso de campos magnéticos y/o eléctricos para desviar partículas podría potencialmente reducir en gran medida los requisitos de masa.

Rechazo de calor

El hábitat está en el vacío y, por lo tanto, se parece a un termo gigante. Los hábitats también necesitan un radiador para eliminar el calor de la luz solar absorbida. Los hábitats muy pequeños pueden tener una paleta central que gira con el hábitat. En este diseño, la convección elevaría el aire caliente 'hacia arriba'. (hacia el centro), y el aire fresco caería hacia el hábitat exterior. Algunos otros diseños distribuirían refrigerantes, como agua fría de un radiador central.

Meteoritos y polvo

El hábitat tendría que resistir los posibles impactos de los desechos espaciales, los meteoritos, el polvo, etc. La mayoría de los meteoritos que golpean la Tierra se vaporizan en la atmósfera. Sin una atmósfera protectora espesa, los impactos de meteoritos supondrían un riesgo mucho mayor para un hábitat espacial. El radar barrerá el espacio alrededor de cada hábitat mapeando la trayectoria de los escombros y otros objetos hechos por el hombre y permitiendo que se tomen medidas correctivas para proteger el hábitat.

En algunos diseños (O'Neill/NASA Ames "Stanford Torus" y "Crystal palace in a Hatbox", los diseños de hábitat tienen un escudo de rayos cósmicos no giratorio de arena compactada (~1,9 m de espesor) o incluso roca artificial agregada (sucedáneo de hormigón de 1,7 m). Otras propuestas utilizan la roca como estructura y protección integral (O'Neill, "the High Frontier". Sheppard, &# 34;Concrete Space Colonies"; Spaceflight, journal of the B.I.S.) En cualquiera de estos casos, la capa de radiación externa implica una fuerte protección contra meteoroides ~4,5 toneladas de material rocoso por metro cuadrado.

Tenga en cuenta que los satélites de energía solar se proponen en rangos de varios GW, y tales energías y tecnologías permitirían un mapeo de radar constante del espacio 3D cercano hasta arbitrariamente lejos, limitado solo por el esfuerzo realizado para hacerlo.

Hay propuestas disponibles para mover NEO del tamaño de un kilómetro a órbitas terrestres altas, y los motores de reacción para tales fines moverían un hábitat espacial y cualquier escudo arbitrariamente grande, pero no de manera oportuna o rápida, ya que el empuje es muy bajo en comparación a la enorme masa.

Control de actitud

La mayoría de las geometrías de los espejos requieren que algo en el hábitat apunte al sol, por lo que es necesario controlar la actitud. El diseño original de O'Neill usó los dos cilindros como ruedas de impulso para hacer rodar la colonia, y empujó los pivotes hacia el sol para juntarlos o separarlos para usar la precesión para cambiar su ángulo.

Consideraciones

Desembolso de capital inicial

Incluso los diseños de hábitat más pequeños que se mencionan a continuación son más masivos que la masa total de todos los elementos que los humanos han lanzado alguna vez a la órbita terrestre combinados. Los requisitos previos para construir hábitats son costos de lanzamiento más baratos o una base de minería y fabricación en la Luna u otro cuerpo que tenga un delta-v bajo desde la ubicación del hábitat deseado.

Ubicación

Todavía se debaten las órbitas de hábitat óptimas, por lo que el mantenimiento de la estación orbital probablemente sea un problema comercial. Ahora se cree que las órbitas lunares L4 y L5 están demasiado lejos de la Luna y la Tierra. Una propuesta más moderna es utilizar una órbita de resonancia de dos a uno que alternativamente tiene un acercamiento cercano y de baja energía (barato) a la Luna y luego a la Tierra. Esto proporciona un acceso rápido y económico tanto a las materias primas como al mercado principal. La mayoría de los diseños de hábitats planean usar propulsión de amarre electromagnético o controladores de masa en lugar de motores de cohetes. La ventaja de estos es que no usan masa de reacción o usan masa de reacción barata.

Estudios conceptuales

Descripción de una estación de espacio de rueda giratoria en Hermann Noordung El problema de los viajes espaciales (1929)

O'Neill - La Alta Frontera

Alrededor de 1970, cerca del final del Proyecto Apolo (1961-1972), Gerard K. O'Neill, un físico experimental de la Universidad de Princeton, estaba buscando un tema para tentar a sus estudiantes de física, la mayoría de ellos estudiantes de primer año en ingeniería. Se le ocurrió la idea de asignarles cálculos de viabilidad para grandes hábitats espaciales. Para su sorpresa, los hábitats parecían factibles incluso en tamaños muy grandes: cilindros de 8 km (5 mi) de diámetro y 32 km (20 mi) de largo, incluso si estaban hechos de materiales ordinarios como acero y vidrio. Además, los estudiantes resolvieron problemas como la protección contra la radiación de los rayos cósmicos (casi gratis en los tamaños más grandes), la obtención de ángulos solares naturalistas, suministro de energía, agricultura realista libre de plagas y control de actitud orbital sin motores de reacción. O'Neill publicó un artículo sobre estos conceptos de colonia en Physics Today en 1974. (Vea la ilustración de arriba de tal colonia, una clásica "O'Colonia"Neill"). Amplió el artículo en su libro de 1976 The High Frontier: Human Colonies in Space.

Estudio de verano de NASA Ames/Stanford de 1975

El resultado motivó a la NASA a patrocinar un par de talleres de verano dirigidos por O'Neill. Se estudiaron varios conceptos, con tamaños que van desde 1.000 a 10.000.000 de personas, incluyendo versiones del toro de Stanford. Se presentaron tres conceptos a la NASA: la Esfera de Bernal, la Colonia Toroidal y la Colonia Cilíndrica.

Los conceptos de O'Neill tenían un ejemplo de plan de recuperación: la construcción de satélites de energía solar a partir de materiales lunares. O'Neill no enfatizó la construcción de satélites de energía solar como tal, sino que ofreció pruebas de que la fabricación orbital a partir de materiales lunares podría generar ganancias. Él y otros participantes supusieron que una vez que tales instalaciones de fabricación hubieran comenzado a producir, se encontrarían muchos usos rentables para ellas, y la colonia se volvería autosuficiente y comenzaría a construir otras colonias también.

Los estudios de concepto generaron una notable oleada de interés público. Un efecto de esta expansión fue la fundación de la Sociedad L5 en los EE. UU., un grupo de entusiastas que deseaban construir y vivir en tales colonias. El grupo recibió su nombre de la órbita de la colonia espacial que entonces se creía que era la más rentable, una órbita en forma de riñón alrededor de cualquiera de los puntos lunares de Lagrange 5 o 4 de la Tierra.

Instituto de Estudios Espaciales

En 1977, O'Neill fundó el Instituto de Estudios Espaciales, que inicialmente financió y construyó algunos prototipos del nuevo hardware necesario para un esfuerzo de colonización espacial, además de producir una serie de estudios de viabilidad. Uno de los primeros proyectos, por ejemplo, involucró una serie de prototipos funcionales de un conductor de masa, la tecnología esencial para mover minerales de manera eficiente desde la Luna a las órbitas de las colonias espaciales.

Conceptos de la NASA

Algunos estudios conceptuales de la NASA incluyeron:

• Island One, un hábitat de la esfera Bernal para unas 10.000 a 20.000 personas.
• Stanford torus: una alternativa a Island One.
• Cilindro O'Neill: "Island Three", un diseño aún mayor (3,2 km de radio y 32 km de largo).
• Lewis One: Cilindro de radio 250 m con blindaje de radiación no giratorio. El blindaje también protege el espacio industrial de microgravedad. La parte giratoria es de 450m de largo y tiene varios cilindros interiores. Algunos de ellos se utilizan para la agricultura.
• Kalpana Una, revisada: Cilindro corto con 250 m de radio y 325 m de longitud. El blindaje de radiación es de 10 t/m² y gira. Cuenta con varios cilindros interiores para agricultura y recreación. Es tamaño para 3.000 residentes.
• Una bola: una nave espacial o hábitat conectado por un cable a un contrapeso u otro hábitat. Este diseño se ha propuesto como un buque Marte, la construcción inicial de un hábitat espacial y un hotel orbital. Tiene un radio de rotación cómodamente largo y lento para una masa de estación relativamente pequeña. Además, si algunos de los equipos pueden formar el contrapeso, el equipo dedicado a la gravedad artificial es sólo un cable, y por lo tanto tiene una estructura de masa mucho menor que en otros conceptos. Para una habitación a largo plazo, sin embargo, el blindaje de radiación debe girar con el hábitat, y es extremadamente pesado, lo que requiere un cable mucho más fuerte y más pesado.
• Hábitats cargados: Este diseño especulativo también fue considerado por los estudios de la NASA. Los hábitats pequeños se producirían en masa a estándares que permiten que los hábitats se interconecten. Un solo hábitat puede funcionar solo como una bola. Sin embargo, otros hábitats pueden ser apegados, para crecer en un "dumbbell" luego un "bow-tie", luego un anillo, luego un cilindro de "armas", y finalmente un conjunto de cilindros enmarcados. Cada etapa de crecimiento comparte más blindaje de radiación y equipo de capital, aumentando la redundancia y la seguridad al tiempo que reduce el costo por persona. Este concepto fue propuesto originalmente por un arquitecto profesional porque puede crecer mucho como las ciudades terrestres, con inversiones individuales incrementales, a diferencia de aquellas que requieren grandes inversiones de arranque. La principal desventaja es que las versiones más pequeñas utilizan una gran estructura para soportar el blindaje de radiación, que gira con ellas. En grandes tamaños, el blindaje se vuelve económico, porque crece aproximadamente como la plaza del radio de la colonia. El número de personas, sus hábitats y los radiadores para enfriarlos crecen aproximadamente como el cubo del radio de la colonia.

Otros conceptos

• Bubbleworld: El concepto Bubbleworld o Inside/Outside fue originado por Dandridge M. Cole en 1964. El concepto requiere perforar un túnel a través del eje más largo de un asteroide grande de hierro o composición de niquel- hierro y llenarlo con una sustancia volátil, posiblemente agua. Un reflector solar muy grande sería construido cerca, centrándose el calor solar en el asteroide, primero para soldar y sellar los extremos del túnel, luego más difusamente para calentar lentamente toda la superficie exterior. A medida que el metal se suaviza, el agua interior se expande e infla la masa, mientras que las fuerzas rotativas ayudan a moldearlo en forma cilíndrica. Una vez expandido y permitido enfriar, se puede rociar para producir gravedad artificial por centrifugación, y el interior lleno de suelo, aire y agua. Mediante la creación de un ligero abultamiento en medio del cilindro, se puede formar un lago en forma de anillo. Los reflectores permitirán que la luz solar entre y se dirija cuando sea necesario. Este método requeriría una presencia humana e industrial significativa en el espacio para ser factible. El concepto fue popularizado por el autor de ciencia ficción Larry Niven en sus historias espaciales conocidas, describiendo mundos como los hábitats primarios de los cinturones, una civilización que había colonizado el cinturón de asteroides.
• terrario asteroide: una idea similar al mundo de la burbuja, el terrario asteroide, aparece en la novela 2012 2312, autor de la dura escritora de ciencia ficción Kim Stanley Robinson.
• Bishop Ring: un diseño especulativo con nanotubes de carbono, un Bishop Ring es un torus 1000 km en radio, 500 km de ancho y con paredes de retención de atmósfera 200 km de altura. El hábitat sería lo suficientemente grande que podría ser "sin techo", abierto al espacio exterior en el borde interno.
• Cilindro McKendree: otro concepto que utilizaría nanotubos de carbono, un cilindro de McKendree está emparejado en la misma vena que el concepto Island Three, pero cada 460 km de radio y 4600 km de largo (versus 3.2 km de radio y 32 km de largo en la isla Tres).

Galería

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  Estación espacial Bola

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  Bola Mars spacecraft

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  Kalpana Una estación espacial orbital

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  Varios conceptos

Proyectos actuales

Los siguientes proyectos y propuestas, aunque no son realmente hábitats espaciales, incorporan aspectos de lo que tendrían y pueden representar peldaños hacia la construcción eventual de hábitats espaciales.

El vehículo de exploración espacial multimisión Nautilus-X (MMSEV): esta propuesta de la NASA de 2011 para un vehículo de transporte espacial tripulado de larga duración incluía un compartimento de gravedad artificial destinado a promover la salud de la tripulación para una tripulación de hasta seis personas en misiones de hasta dos años de duración. La centrífuga de anillo toroidal de g parcial utilizaría estructuras de naves espaciales inflables y de estructura metálica estándar y proporcionaría de 0,11 a 0,69 g si se construye con la opción de 40 pies (12 m) de diámetro.

La demostración de centrifugadora de la ISS, también propuesta en 2011 como un proyecto de demostración preparatorio para el diseño final del hábitat espacial de centrifugadora toroide más grande para el vehículo de exploración espacial multimisión. La estructura tendría un diámetro exterior de 9,1 m (30 pies) con un diámetro de sección transversal interior del anillo de 760 mm (30 pulgadas) y proporcionaría una gravedad parcial de 0,08 a 0,51 g. Esta centrífuga de prueba y evaluación tendría la capacidad de convertirse en un módulo de suspensión para la tripulación de la ISS.

La estación espacial comercial Bigelow se anunció a mediados de 2010. La construcción inicial de la estación se espera para 2014/2015. Bigelow ha mostrado públicamente configuraciones de diseño de estaciones espaciales con hasta nueve módulos que contienen 100 000 pies cúbicos (2800 m³) de espacio habitable. Bigelow comenzó a referirse públicamente a la configuración inicial como "Space Complex Alpha" en octubre de 2010.