Design per un habitat spaziale con gravità artificiale che potrebbe essere ampliato nel tempo per adattarsi a più persone
Ci sono due approcci principali che l'umanità può adottare per vivere nello spazio. Quello raffigurato più comunemente è di noi che colonizziamo altri corpi celesti come la Luna e Marte. Questo approccio presenta alcuni importanti svantaggi, incluso il trattare con suoli tossici , polvere appiccicosa , e pozzi a gravità .
L'alternativa è costruire i nostri habitat. Questi potrebbero essere situati ovunque nel sistema solare, potrebbero essere di qualsiasi dimensione consentita dalla scienza dei materiali e avere caratteristiche diverse, come temperatura, clima, gravità e persino lunghezze del giorno. Sfortunatamente, siamo ancora molto lontani dal costruire qualcosa come un habitat a grandezza naturale. Tuttavia, ora siamo un passo più vicini a farlo con il rilascio di a carta da un team di Texas A&M che descrive un modo per costruire un habitat spaziale espandibile di cilindri concentrici che può ospitare fino a 8000 persone.
Qualsiasi habitat che ospita molte persone dovrà affrontare alcuni importanti svantaggi della vita nello spazio. L'elenco esplicito degli autori del documento 5 che il loro design dell'habitat spaziale stava cercando di affrontare:
- Gravità
- Protezione dalle radiazioni
- Agricoltura sostenibile
- Capacità di crescita dell'habitat
- Valore commerciale
L'esposizione a lungo termine alla mancanza di gravità provoca il caos sui corpi umani, causando tutto da menomazione della vista a perdita di densità ossea . La maggior parte di questi problemi viene risolta da un'unica soluzione elegante: la gravità artificiale.
Gli astronauti gemelli identici, Scott e Mark Kelly, sono soggetti dello studio sui gemelli della NASA. Scott (a destra) ha trascorso un anno nello spazio mentre Mark (a sinistra) è rimasto sulla Terra come soggetto di controllo. Scott ha sofferto di alcuni degli effetti debilitanti di rimanere a zero g per un lungo periodo. Credito: NASA
Non abbiamo (ancora) la tecnologia per consentire al Capitano Picard di stare sul ponte dell'Enterprise come se fosse in un edificio per uffici. Tuttavia, abbiamo qualcosa che si avvicina alla gravità artificiale: la forza centrifuga causata dalla rotazione. Questo è abbastanza comune soluzione fornire agli astronauti qualcosa di equivalente alla gravità. Questa soluzione non è stata testata, ma la maggior parte degli esperti concorda sul fatto che dovrebbe alleviare la maggior parte dei problemi di salute associati alla mancanza di gravità.
Ci sono due importanti considerazioni di progettazione quando si realizza un sistema di gravità artificiale che eliminerebbe quei problemi di salute. Innanzitutto si occupa della dimensione dell'habitat che induce la gravità artificiale. Se il raggio di rotazione è troppo piccolo, può esserci una differenza significativa nella gravità percepita tra la testa e i piedi di una persona. Questo è noto per causare cinetosi e renderebbe inutilizzabile qualsiasi habitat che inducesse tale effetto nei suoi occupanti.
Gli habitat spaziali potrebbero un giorno crescere fino alle dimensioni dei continenti e utilizzare potenzialmente lo stesso tipo di design espandibile descritto nel nuovo documento.
Credito: Isaac Arthur
La seconda considerazione si concentra sulla velocità di rotazione. Gli autori indicano un documento che sottolinea che qualsiasi velocità di rotazione superiore a 4 RPM indurrebbe anche la cinetosi. Utilizzando il limite superiore della velocità di rotazione e il limite inferiore del raggio di rotazione si ottiene un raggio di 56 metri, alto circa quanto il Torre pendente di Pisa . Un essere umano potrebbe vivere in un tale habitat senza la cinetosi indotta di una giostra e senza gli impatti negativi sulla salute del fluttuare costantemente a zero g.
Zero G non è l'unico pericolo attorno a cui gli autori devono progettare. Radiazione a lungo termine esposizione è straordinariamente dannoso per gli esseri umani, con un aumento significativo dei rischi di cancro e danni cellulari, una probabilità molto reale di qualsiasi soggiorno prolungato nello spazio.
Raffigurazione dello scudo antiradiazioni proposto nel documento. Consiste in una combinazione di regolite e acqua.
Credito: Muhao Chen et al.
La soluzione dell'autore a questo rischio è semplice: circondare l'intero habitat con 5 metri di regolite e acqua. Nel loro modello, l'acqua è racchiusa tra la regolite. Lo strato protettivo sarebbe situato in quello che chiamano lo 'scudo'. Sarebbe situato all'esterno dell'habitat cilindrico e coperto di pannelli solari per alimentare l'habitat. La composizione dello scudo è stata scelta principalmente in base al facile accesso ai materiali: la regolite e l'acqua sono abbondantemente disponibili da luoghi con pozzi a gravità relativamente bassa (es. asteroidi e Luna). La combinazione è anche nota per fermare sia i raggi cosmici che la radiazione solare.
Oltre a fermare qualsiasi potenziale radiazione, lo scudo aiuta il sistema di supporto vitale ruotando molto lentamente nel tentativo di dissipare alcuni dei gradienti termici presenti sulla struttura dell'habitat. L'autore è calcolato con una rotazione dello scudo di 0,2 giri al minuto e un ampio 'radiatore' attaccato al lato dell'habitat, possono raggiungere una temperatura interna di circa 300 K (27 ° C / 80 ° F) nell'habitat.
Veduta spezzata dell'intera struttura dell'habitat del “villaggio spaziale uno”. Notare le corde di tensegrità e il radiatore al centro della struttura principale.
Credito: Muhao Chen et al.
Quella temperatura interna sarebbe ben accolta dagli occupanti non umani proposti dall'habitat: le piante. Le fattorie dell'habitat sarebbero state poste alle due estremità del cilindro a forma conica e sormontate da un soffitto di vetro trasparente. Sarebbero anche serviti da specchi giganti che sono leggermente obliqui, riflettendo la luce solare in modo uniforme sulla superficie agricola.
Gli autori hanno calcolato che ogni occupante della stazione avrebbe bisogno di circa 300 m2di terreni agricoli per sostenerli. Con un habitat espanso che si estende fino a un raggio di 224 m (52 piani separati alti 4 metri con un cilindro più interno di 20 metri) ci sarebbe spazio agricolo e abitativo sufficiente per ospitare 8000 persone.
Ma l'habitat non sarebbe all'inizio in grado di supportare tutte quelle persone. Il cilindro più interno con raggio di 20 metri potrebbe fungere da modulo 'seme' da cui si costruiscono altri strati cilindrici. E quel processo di costruzione utilizzerebbe una tecnica collaudata dell'ingegneria meccanica: la tensegrità.
Robot della NASA costruito utilizzando i principi di tensegrità.
Credito: NASA / Adrian Agogino & Vytas Sunspiral
Tensegrità è una valigia coniata da Buckminster Fuller descrivere un sistema di barre e corde intrecciate in cui le barre sono compresse e le corde sono tese. Permette ai designer di costruire delle strutture davvero incredibili, per non parlare dei pezzi d'arredo spettacolari che alcuni Youtuber costruire .
In termini di habitat spaziale, consente ai progettisti di sviluppare un piano di espansione in 6 fasi che può essere ripetuto indefinitamente senza la necessità di disattivare i sistemi di supporto vitale man mano che l'habitat viene espanso. Ogni espansione consente di aggiungere un cilindro aggiuntivo al complesso e aggiunge quantità significative di spazio abitativo aggiuntivo senza interrompere la vita delle persone che vivono nei cilindri già installati. Tale espandibilità renderebbe qualsiasi struttura che utilizzi questo sistema economicamente molto più interessante di un habitat che deve mantenere un'unica forma. Quel fattore economico è una parte estremamente importante di qualsiasi piano di progettazione futuro, poiché sarà il principale fattore trainante dell'espansione dell'infrastruttura spaziale più in generale.
Un altro modo per ottenere valore economico sarebbe sfruttare una delle caratteristiche interessanti di questo stile di habitat cilindrico. Il centro del cilindro potrebbe fungere da 'officina a gravità zero' che consentirebbe agli occupanti di eseguire lavori che potrebbero essere difficili o impossibili in un pozzo a gravità, come la lavorazione di materie prime o lo sviluppo di nuovi tipi di farmaci.
Modello stampato in 3D della stazione spaziale con le varie importanti caratteristiche etichettate.
Credito: Muhao Chen et al.
Il cilindro centrale potrebbe anche svolgere un ruolo importante in un diverso driver economico per l'habitat: turismo . I progettisti progettano uno spazio aperto centrale che è quasi interamente dedicato al parco. Ciò sarebbe in parte per il benessere emotivo e psicologico degli occupanti a lungo termine dell'habitat, ma potrebbe anche fungere da grande attrazione turistica. Ciò sarebbe particolarmente utile in quanto il turismo servirà probabilmente come una delle principali forze economiche trainanti dei primi habitat spaziali.
Quel turismo è davvero ancora molto lontano, e mentre i costi di lancio continuano a diminuire, finché non avremo l'infrastruttura in atto per estrarre asteroidi o la luna è improbabile che verrà costruito un grande habitat spaziale. Nel frattempo, possiamo continuare a lavorare su nuove idee su cui potremmo eventualmente essere in grado di eseguire. Se solo non dovessimo spendere così tanto per sfuggire bene alla nostra stessa gravità.
Per saperne di più:
Scienza e tecnologia aerospaziale: Progettazione e analisi di un habitat spaziale a gravità artificiale coltivabile
Isacco Artù: Habitat spaziali rotanti
Space.com: Habitat spaziali gonfiabili