asentamiento espacial

Hacia 1970, cerca del final del Proyecto Apolo (1961-1972), Gerard K. O'Neill , físico experimental de la Universidad de Princeton , buscaba un tema que pudiera motivar a sus estudiantes de física, la mayoría de ellos estudiantes de primer año de ingeniería. Se le ocurrió la idea de asignarles cálculos de viabilidad para grandes asentamientos espaciales. Para su sorpresa, los hábitats parecían viables 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 comunes 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, el suministro de energía, la agricultura realista libre de plagas y el control de actitud orbital sin motores de reacción. O'Neill publicó un artículo sobre estos conceptos de colonias en Physics Today en 1974. ^{[ 12 ]} Amplió el artículo en su libro de 1976, The High Frontier: Human Colonies in Space .    

Estudio de verano de 1975 de la NASA Ames/Stanford

El resultado motivó a la NASA a patrocinar un par de talleres de verano dirigidos por O'Neill. ^{[ 13 ] [ 14 ]} Se estudiaron varios conceptos, con tamaños que iban desde 1.000 hasta 10.000.000 de personas, ^{[ 15 ] [ 16 ] [ 17 ]} incluyendo versiones del toro de Stanford . Se presentaron tres conceptos a la NASA: la Esfera de Bernal , la Colonia Toroidal y la Colonia Cilíndrica. ^{[ 18 ]}

Los conceptos de O'Neill incluían un ejemplo de rentabilidad: la construcción de satélites de energía solar a partir de materiales lunares. O'Neill no hacía hincapié en la construcción de satélites solares en sí, sino que ofrecía pruebas de que la fabricación orbital a partir de materiales lunares podía generar beneficios. Él y otros participantes presumían que, una vez que dichas instalaciones de fabricación entraran en producción, se les encontrarían numerosos usos rentables, y la colonia se volvería autosuficiente y comenzaría a construir otras colonias.

Los estudios conceptuales generaron un notable interés público. Una consecuencia de esta expansión fue la fundación de la Sociedad L5  en  Estados Unidos, un grupo de entusiastas que deseaban construir y vivir en dichas colonias. El grupo recibió su nombre de la órbita de colonia espacial que entonces se consideraba la más rentable: una órbita con forma de riñón alrededor de los puntos de Lagrange 5 o  4 de la Luna.

El espacio posee una gran cantidad de luz solar. En órbita terrestre, esto equivale a 1400 vatios de potencia por metro cuadrado. ^{[ 21 ]} Esta energía puede utilizarse para generar electricidad mediante células solares o centrales eléctricas con motores térmicos , procesar minerales, proporcionar luz para el crecimiento de las plantas y calentar los asentamientos espaciales.

El comercio de asentamientos entre la Tierra y el espacio sería más fácil que el comercio de hábitats entre la Tierra y los planetas, ya que los hábitats que orbitan la Tierra no tendrán que superar un pozo gravitatorio para exportarlos a la Tierra, y un pozo gravitatorio menor para importarlos desde la Tierra.

Los asentamientos espaciales podrían abastecerse con recursos de lugares extraterrestres como Marte , asteroides o la Luna ( utilización de recursos in situ [ISRU]; ^{[ 20 ]} véase Minería de asteroides ). Con la ayuda de ISRU se podría producir oxígeno respirable, agua potable y combustible para cohetes. ^{[ 20 ]} Podría ser posible fabricar paneles solares a partir de materiales lunares. ^{[ 20 ]}

La mayoría de los asteroides tienen una mezcla de materiales que podrían ser extraídos, y debido a que estos cuerpos no tienen pozos gravitatorios sustanciales, se requeriría un delta-V bajo para extraer los materiales de ellos y transportarlos a un sitio de construcción. ^{[ 15 ]}

Se estima que solo en el cinturón principal de asteroides hay suficiente material como para construir suficientes asentamientos espaciales que equivalgan a la superficie habitable de 3000 Tierras. ^{[ 22 ]}

Una estimación de 1974 suponía que la recolección de todo el material del cinturón principal de asteroides permitiría construir hábitats con una capacidad poblacional total inmensa. Utilizando los recursos dispersos del Sistema Solar, esta estimación se extendía a billones. ^{[ 12 ]}

Si se encierra una gran área en el eje de rotación, son posibles varios deportes de gravedad cero, incluyendo la natación, ^{[ 23 ] [ 24 ]} el ala delta ^{[ 25 ]} y el uso de aeronaves impulsadas por energía humana .

Un asentamiento espacial puede ser el compartimento de pasajeros de una gran nave espacial para colonizar asteroides , lunas y planetas. También puede funcionar como tal para una nave generacional para viajar a otros planetas o estrellas distantes (LR Shepherd describió una nave estelar generacional en 1952 comparándola con un pequeño planeta con muchas personas viviendo en él). ^{[ 26 ] [ 27 ]}

La gobernanza o regulación de los asentamientos espaciales es crucial para unas condiciones de habitabilidad responsables. La arquitectura física y sociopolítica de un asentamiento espacial, si está mal establecida, puede conducir a condiciones tiránicas y precarias. ^{[ 4 ]}

Incluso los diseños de asentamientos más pequeños mencionados a continuación son más masivos que la masa total de todos los objetos que los humanos han lanzado a la órbita terrestre combinados. Los requisitos previos para construir asentamientos son o bien menores costos de lanzamiento o una base minera y manufacturera en la Luna u otro cuerpo con un delta-v bajo con respecto a la ubicación del hábitat deseado. ^{[ 15 ]}

Las órbitas óptimas para los asentamientos aún se debaten, por lo que _{el mantenimiento de la} posición orbital probablemente sea una cuestión comercial. Se cree que las órbitas lunares L4 y L5 están demasiado lejos de la Luna y la Tierra. Una propuesta más moderna consiste en utilizar una órbita de resonancia dos a uno que alterne un acercamiento cercano y de baja energía (económico) a la Luna y, posteriormente, 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 asentamientos prevén el uso de propulsión electromagnética por cable o de propulsores de masa en lugar de motores de cohete. La ventaja de estos es que no utilizan masa de reacción o utilizan masa de reacción de bajo coste.

Si un asentamiento espacial se ubica en L ₄ o L ₅ , su órbita lo llevará fuera de la protección de la magnetosfera terrestre durante aproximadamente dos tercios del tiempo (como sucede con la Luna), poniendo a los residentes en riesgo de exposición a protones del viento solar (véase Amenaza para la salud por rayos cósmicos ).

La protección se puede lograr mediante blindaje pasivo o activo. ^{[ 29 ]} Las naves espaciales actuales están blindadas pasivamente con materiales.

Los muros de agua o de hielo pueden brindar protección contra la radiación solar y cósmica, ya que 7 cm de profundidad de agua bloquean aproximadamente la mitad de la radiación incidente. ^{[ 30 ]} Como alternativa, se podría usar roca como blindaje; 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 con altos niveles de radiación natural de fondo en la Tierra. ^{[ 31 ]}

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, como a través de cables que encapsulan naves espaciales, ^{[ 32 ]} para desviar partículas podría reducir considerablemente los requisitos de masa. ^{[ 33 ]}

La presión atmosférica , con presiones parciales normales de oxígeno (21%), dióxido de carbono y nitrógeno (78%), es un requisito básico para cualquier asentamiento espacial. Básicamente, la mayoría de los conceptos de diseño de asentamientos espaciales contemplan grandes recipientes a presión de paredes delgadas. El oxígeno necesario podría obtenerse de rocas lunares. El nitrógeno es más fácilmente accesible desde la Tierra, pero también se recicla casi a la perfección. Además, el nitrógeno en forma de amoníaco ( NH₃)₃ ) puede obtenerse de cometas y lunas de planetas exteriores. El nitrógeno también puede estar disponible en cantidades desconocidas en ciertos otros cuerpos delSistema Solar exterior. El aire de un hábitat podría reciclarse de varias maneras. Un concepto es usarjardinesfotosintéticos , posiblemente mediantehidroponíaojardinería forestal.Sin embargo, estos no eliminan ciertos contaminantes industriales, como aceites volátiles y exceso de gases moleculares simples. El método estándar utilizado ensubmarinos nucleares, una forma similar de ambiente cerrado, es usar uncatalítico, que descompone eficazmente la mayoría de los compuestos orgánicos. Una protección adicional podría proporcionarse mediante un pequeño sistema de destilación criogénica que eliminaría gradualmente impurezas comode mercurioy gases nobles que no pueden quemarse catalíticamente.

También sería necesario suministrar materiales orgánicos para la producción de alimentos. Inicialmente, la mayoría de estos tendrían que importarse de la Tierra. Posteriormente, el reciclaje de heces reduciría la necesidad de importaciones. Un método de reciclaje propuesto comenzaría quemando el destilado criogénico, plantas, basura y 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 sales de las cenizas podrían disolverse en agua y separarse en minerales puros. La mayor parte de los nitratos, potasio y sodio se reciclarían como fertilizantes. Otros minerales que contienen hierro, níquel y silicio podrían purificarse químicamente por lotes y reutilizarse industrialmente. La pequeña fracción de materiales restantes, muy por debajo del 0,01 % en peso, podría procesarse en elementos puros mediante espectrometría de masas en gravedad cero y añadirse en cantidades adecuadas a los fertilizantes y las reservas industriales. Es probable que los métodos se perfeccionen considerablemente a medida que las personas comiencen a vivir en asentamientos espaciales.

Estudios a largo plazo en órbita han demostrado que la gravedad cero debilita los huesos y los músculos, ^{[ 34 ]} y afecta el metabolismo del calcio de los astronautas ^{[ 35 ]} y sus sistemas inmunitarios . ^{[ 36 ]} Muchos astronautas experimentan problemas sinusales o congestión nasal. ^{[ 37 ]}

Los diseños de hábitat pueden incluir rotación, para utilizar fuerzas inerciales que simulen la gravedad . ^{[ 38 ]} Se han realizado estudios científicos para estudiar el crecimiento de las plantas y sus respuestas en condiciones de gravedad artificial. ^{[ 39 ]}

Por encima de 2 a 6 RPM, las centrífugas resultan incómodas para sus ocupantes. ^{[ 40 ]} Además, los radios pequeños de las centrífugas se asocian con el mareo por movimiento. ^{[ 41 ]} Los usuarios experimentados de centrífugas pueden determinar las direcciones de "giro hacia adelante" y "giro hacia atrás". ^{[ 42 ]}

El hábitat tendría que resistir posibles impactos de desechos espaciales , meteoroides , polvo,  etc. La mayoría de los meteoroides que impactan la Tierra se vaporizan en la atmósfera. Sin una atmósfera protectora densa, los impactos de meteoroides supondrían un riesgo mucho mayor para un asentamiento espacial.

En algunos diseños (O'Neill/NASA Ames "Stanford Torus" y "Crystal Palace in a Hatbox"), los diseños de hábitat cuentan con un escudo contra rayos cósmicos no giratorio de arena compactada (~1,9 m de espesor) o incluso roca de agregado artificial (1,7 m de hormigón sintético). Otras propuestas utilizan la roca como estructura y blindaje integral (O'Neill, "The High Frontier". Sheppard, "Concrete Space Colonies"; Spaceflight, revista del BIS). En cualquiera de estos casos, la protección contra meteoroides se deduce de la capa de radiación externa de ~4,5 toneladas de material rocoso por metro cuadrado. ^{[ 43 ]}

Cabe destacar que se proponen satélites de energía solar con potencias de varios GW, y que dichas energías y tecnologías permitirían el mapeo constante por radar del espacio 3D cercano hasta distancias arbitrariamente lejanas, limitado únicamente por el esfuerzo invertido para ello.

Existen propuestas para trasladar incluso objetos cercanos a la Tierra (NEO) de un kilómetro de tamaño a órbitas terrestres altas, y los motores de reacción para tales fines podrían mover un asentamiento espacial y cualquier escudo de tamaño arbitrariamente grande, pero no de manera oportuna ni rápida, ya que el empuje es muy bajo en comparación con la enorme masa.

El hábitat se encuentra en el vacío y, por lo tanto, se asemeja 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 aleta central que gira con el hábitat. En este diseño, la convección eleva el aire caliente hacia arriba (hacia el centro) y el aire frío desciende hacia el exterior del hábitat. Otros diseños distribuyen refrigerantes, como agua fría proveniente de un radiador central.

La mayoría de las geometrías de espejos requieren que algún elemento del hábitat apunte hacia el Sol, por lo que es necesario un control de actitud . El diseño original de O'Neill utilizaba los dos cilindros como ruedas de inercia para hacer rodar la colonia, y acercaba o alejaba los pivotes orientados hacia el Sol para usar la precesión y cambiar su ángulo.

El interior de un asentamiento espacial siempre debe tener áreas fuera de la vista, para evitar el efecto psicológico de que toda la realidad sea visible simultáneamente, a la vez que permite paisajes y amplias vistas, para que no haya sensación de vivir en un escenario teatral. Por razones psicológicas, el diseño también debe evitar la percepción de que todo está controlado por el ser humano (por ejemplo, mediante un clima artificial aleatorio o una vegetación que se desarrolla de forma natural). ^{[ 44 ]}

Los dos conceptos originales comunes son la esfera de Bernal y el cilindro de O'Neill .

Concepto de ensamblaje en forma de mancuerna

Una nave espacial o hábitat con forma de mancuerna , conectada por un cable a un contrapeso u otro hábitat. Este diseño se ha propuesto como nave para Marte, cabaña de construcción inicial para un hábitat espacial y hotel orbital . Tiene un radio de rotación cómodamente largo y lento para una masa de estación relativamente pequeña. Además, si parte del equipo puede formar el contrapeso, el equipo dedicado a la gravedad artificial es solo un cable, y por lo tanto tiene una fracción de masa mucho menor que en otros conceptos. Sin embargo, para una habitabilidad a largo plazo, el blindaje contra la radiación debe rotar con el hábitat y es extremadamente pesado, por lo que requiere un cable mucho más fuerte y pesado. ^{[ 45 ]} Este diseño especulativo también fue considerado por los estudios de la NASA. ^{[ 46 ]} Los hábitats pequeños se producirían en masa con estándares que permiten la interconexión de los hábitats. Un solo hábitat puede funcionar solo como una bola . Sin embargo, se pueden agregar más hábitats, para crecer en una " mancuerna ", luego una "pajarita", luego un anillo, luego un cilindro de "cuentas" y finalmente una matriz de cilindros enmarcada. Cada etapa de crecimiento comparte más blindaje contra la radiación y equipos de capital, lo que aumenta la redundancia y la seguridad, a la vez que reduce el costo por persona. Este concepto fue propuesto originalmente por un arquitecto profesional, ya que puede crecer de forma similar a las ciudades terrestres, con inversiones individuales incrementales, a diferencia de aquellas que requieren grandes inversiones iniciales. La principal desventaja es que las versiones más pequeñas utilizan una gran estructura para soportar el blindaje contra la radiación, la cual rota con ellas. En tamaños mayores, el blindaje se vuelve económico, ya que crece aproximadamente con el cuadrado del radio de la colonia. El número de personas, sus hábitats y los radiadores para refrigerarlos crecen aproximadamente con el cubo del radio de la colonia.

• Isla Uno , un asentamiento de la esfera de Bernal con capacidad para entre 10.000 y 20.000 personas.
• Toroide de Stanford : una alternativa a Island One.
• Lewis One, ^{[ 47 ]} un cilindro de 250  m de radio con un blindaje contra la radiación no giratorio. El blindaje también protege el espacio industrial de microgravedad. La parte giratoria tiene 450 m de longitud y varios cilindros internos. Algunos de ellos se utilizan para la agricultura.
• Isla Tres o cilindro de O'Neill , un diseño cilíndrico aún más grande (3,2 ^{[ 48 ]} o 4 ^{[ 49 ]} km de radio y 32 km de largo).
• Cilindro de McKendree , otro concepto que utilizaría nanotubos de carbono, un cilindro de McKendree consiste en cilindros emparejados, al igual que el concepto de Isla Tres, pero cada uno con un radio de 460 km y una longitud de 4600 km (frente a un radio de 3,2-4 km y una longitud de 32 km en la Isla Tres). ^{[ 50 ]}
• Kalpana One, revisado, ^{[ 24 ]} un cilindro corto con un radio de 250 m y una longitud de 325 m. El blindaje contra la radiación es de 10 t/m² ^y gira. Tiene varios cilindros interiores para agricultura y recreación. Está dimensionado para 3000 residentes. ^{[ 51 ]}

• El concepto de mundo burbuja o interior/exterior, originado por Dandridge M. Cole en 1964, ^{[ 11 ]} propone perforar un túnel a través del eje más largo de un asteroide metálico de gran tamaño y llenarlo con una sustancia volátil , posiblemente agua. Cerca de este, se construiría un reflector solar de gran tamaño que concentraría el calor solar sobre el asteroide, primero para soldar y sellar los extremos del túnel, y luego de forma más difusa para calentar lentamente toda la superficie exterior. A medida que el metal se ablanda, el agua en su interior se expande e infla la masa, mientras que las fuerzas de rotación contribuyen a darle forma cilíndrica. Una vez expandido y enfriado, se puede hacer girar para producir pseudogravedad centrífuga, y el interior se llena con tierra, aire y agua. Al crear una ligera protuberancia en el centro del cilindro, se puede formar un lago en forma de anillo. Los reflectores permitirían la entrada de luz solar y su dirección donde fuera necesario. Este método requeriría una presencia humana e industrial significativa en el espacio para ser viable. El concepto fue popularizado por el autor de ciencia ficción Larry Niven en sus historias de Known Space , donde describía dichos mundos como los hábitats principales de los Belters , una civilización que había colonizado el cinturón de asteroides .
  • «Bubbleworld» es también el nombre de un concepto diferente de asentamiento espacial ideado por Dani Eder en 1995 ^{[ 52 ]} (también conocido como Ederworld ^{[ 53 ]} ). Se trata de una capa esférica relativamente delgada que rodea una masa de gas lo suficientemente grande como para mantenerse unida por la gravedad. Si se utiliza hidrógeno como gas, la capa tendría un radio de unos 240 000 km. El exterior de la capa tendría un espacio habitable de 2400 km de espesor (lleno de aire respirable) con una capa exterior adicional (posiblemente hecha de 500 m de acero) encima para retener el aire.
• El terrario de asteroides , una idea similar al mundo burbuja, aparece en la novela 2312 de 2012 del escritor de ciencia ficción dura Kim Stanley Robinson .
• Bishop Ring , un diseño especulativo que utiliza nanotubos de carbono : un toroide de 1000  km de radio, 500  km de ancho y muros de retención atmosférica de 200  km de altura. El hábitat sería lo suficientemente grande como para no tener techo, quedando abierto al espacio exterior en el borde interior. ^{[ 54 ]}