Un hábitat espacial (también llamado asentamiento espacial , colonia espacial , lugar espacial , ciudad espacial , hábitat orbital , asentamiento orbital , colonia orbital , lugar orbital o ciudad orbital ) es una forma más avanzada de vivienda que una estación espacial o un módulo habitacional , en que está pensado 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 distintos grados de realismo, provienen tanto de ingenieros como de autores de ciencia ficción.
El término hábitat espacial a veces incluye hábitats construidos sobre o dentro de un cuerpo distinto de la Tierra, como la Luna, Marte o un asteroide. Este artículo se concentra en estructuras autónomas previstas para entornos micro-g .
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 suele estar 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.
Si bien no constituye automáticamente una entidad colonial, un hábitat espacial puede ser un elemento de una colonia espacial . El término "colonia espacial" ha sido visto críticamente, lo que llevó a Carl Sagan a proponer el término ciudad espacial. [1] [2]
La idea de hábitats espaciales, ya sea real o ficticia, se remonta a la segunda mitad del siglo XIX. " The Brick Moon ", una historia de ficción 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 . [3] [4] En la década de 1920, John Desmond Bernal y otros especularon sobre hábitats espaciales gigantes. Dandridge M. Cole a finales de los años 1950 y 1960 especuló sobre vaciar asteroides y luego rotarlos para usarlos como asentamientos en varios artículos de revistas y libros, en particular Islands In Space: The Challenge Of The Planetoids . [5]
Hay una variedad de razones para los hábitats espaciales. Además de la exploración espacial y la colonización espacial apoyadas por los vuelos espaciales tripulados , las razones de los hábitats espaciales incluyen:
Se presentan varios argumentos a favor de que los hábitats espaciales tengan una serie de ventajas:
El espacio tiene abundante luz producida por el Sol. En órbita terrestre, esto equivale a 1.400 vatios de potencia por metro cuadrado. [7] 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 el crecimiento de las plantas y calentar hábitats espaciales.
El comercio de hábitats 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 alrededor de la Tierra no tendrán un pozo de gravedad que superar para exportar a la Tierra, ni un pozo de gravedad más pequeño que superar para importar desde la Tierra.
Los hábitats espaciales pueden recibir recursos de lugares extraterrestres como Marte , asteroides o la Luna ( utilización de recursos in situ [ISRU]; [6] ver Minería de asteroides ). Se podría producir oxígeno respirable, agua potable y combustible para cohetes con la ayuda de ISRU. [6] Quizás sea posible fabricar paneles solares a partir de materiales lunares. [6]
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. [8]
Se estima que sólo en el cinturón de asteroides principal hay suficiente material para construir suficientes hábitats espaciales para igualar la superficie habitable de 3.000 Tierras. [9]
Una estimación de 1974 asumió que la recolección de todo el material en el cinturón de asteroides principal permitiría construir hábitats para proporcionar una inmensa capacidad de población total. Utilizando los recursos flotantes del Sistema Solar, esta estimación se extendió a billones. [10]
Si se cierra un área grande en el eje de rotación, son posibles varios deportes de gravedad cero, incluida la natación, [11] [12] el ala delta [13] y el uso de aviones de propulsión humana .
Un hábitat espacial puede ser el compartimento de pasajeros de una gran nave espacial para colonizar asteroides , lunas y planetas. También puede funcionar como una nave de una generación para viajar a otros planetas o estrellas distantes (LR Shepherd describió una nave de una generación en 1952 comparándola con un planeta pequeño con muchas personas viviendo en él). [14] [15]
Los requisitos para un hábitat espacial son muchos. Tendrían que satisfacer todas las necesidades materiales de cientos o miles de seres humanos, en un entorno espacial que es muy hostil a la vida humana.
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 recipientes a presión grandes y de paredes delgadas. El oxígeno necesario 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) pueden obtenerse de cometas y lunas de 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 utilizar jardines fotosintéticos , posiblemente mediante hidroponía o jardinería forestal . [ cita necesaria ] Sin embargo, estos no eliminan ciertos contaminantes industriales, como los aceites volátiles y el exceso de gases moleculares simples. El método estándar utilizado en los submarinos nucleares , una forma similar de ambiente cerrado, es utilizar un quemador catalítico , que descompone eficazmente la mayoría de los compuestos orgánicos. Se podría proporcionar mayor protección mediante un pequeño sistema de destilación criogénica que eliminaría gradualmente impurezas como el vapor de mercurio y los gases nobles que no pueden quemarse catalíticamente. [ cita necesaria ]
También sería necesario proporcionar materiales orgánicos para la producción de alimentos. Al principio, la mayoría de ellos tendrían que ser importados de la Tierra. [ cita necesaria ] Después de eso, el reciclaje de heces debería reducir la necesidad de importaciones. [ cita necesaria ] 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. [ cita necesaria ] El dióxido de carbono y el agua resultantes serían utilizables inmediatamente en la agricultura. Los nitratos y las sales de las cenizas podrían disolverse en agua y separarse en minerales puros. La mayoría de los nitratos, sales de potasio y 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 los materiales restantes, muy por debajo del 0,01% en peso, podría procesarse en elementos puros con espectrometría de masas de gravedad cero y añadirse en cantidades adecuadas a los fertilizantes y las reservas industriales. Es probable que los métodos se perfeccionaran enormemente a medida que la gente comenzara a vivir en hábitats espaciales.
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 congestión nasal continua o problemas sinusales, y algunas personas tienen mareos por movimiento dramáticos e incurables. La mayoría de los diseños de hábitat rotarían para utilizar fuerzas de inercia para simular la gravedad . Los estudios de la NASA con pollos y plantas han demostrado que se trata de un sustituto fisiológico eficaz de la gravedad. [ cita necesaria ] Girar la cabeza rápidamente en un entorno así provoca que se sienta una "inclinación" a medida que los oídos internos se mueven a diferentes velocidades de rotación. Los estudios con centrifugadoras muestran que las personas se marean en hábitats con un radio de rotación inferior a 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 sólo eran más resistentes al mareo, sino que también podían utilizar el efecto para determinar las direcciones de giro y antigiro en las centrífugas. [ cita necesaria ]
Si un hábitat espacial está ubicado en L4 o L5 , entonces 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 de la viento solar (ver Amenaza para la salud por rayos cósmicos ). Las paredes de agua o de hielo pueden proporcionar protección contra la radiación solar y cósmica, ya que 7 cm de profundidad de agua bloquean aproximadamente la mitad de la radiación incidente. [16] Alternativamente, la roca podría usarse como protección; 4 toneladas métricas por metro cuadrado de superficie podrían reducir la dosis de radiación a varios mSv o menos al año, por debajo de la tasa de algunas áreas naturales densamente pobladas de la Tierra. [17] Conceptos alternativos basados en blindaje activo aún no se han probado y son más complejos que este tipo de 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. [18]
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 el centro" y el aire frío caería hacia el hábitat exterior. Algunos otros diseños distribuirían refrigerantes, como agua helada de un radiador central.
El hábitat tendría que resistir posibles impactos de desechos espaciales , meteoroides , polvo, etc. La mayoría de los meteoroides que chocan contra la Tierra se vaporizan en la atmósfera. Sin una atmósfera protectora espesa, los impactos de meteoritos representarían un riesgo mucho mayor para el hábitat espacial. El radar barrerá el espacio alrededor de cada hábitat, mapeando la trayectoria de los escombros y otros objetos fabricados por el hombre y permitiendo que se tomen acciones correctivas para proteger el hábitat. [ cita necesaria ]
En algunos diseños (los diseños de hábitat "Stanford Torus" y "Crystal Palace in a Hatbox" de O'Neill/NASA Ames tienen un escudo de rayos cósmicos no giratorio de arena compactada (~1,9 m de espesor) o incluso roca agregada artificial (1,7 m sucedáneo hormigón).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 se implica una fuerte protección contra meteoritos. por la capa de radiación externa ~4,5 toneladas de material rocoso por metro cuadrado [19]
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 invertido para hacerlo.
Hay propuestas disponibles para mover OCT incluso de un kilómetro de tamaño a órbitas terrestres altas, y los motores de reacción para tales propósitos 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 con los enormes. masa.
La mayoría de las geometrías de los espejos requieren que algo en el hábitat apunte al Sol, por lo que es necesario el control de la actitud . El diseño original de O'Neill usaba los dos cilindros como ruedas de impulso para hacer girar la colonia y juntaba o separaba los pivotes hacia el sol para usar la precesión para cambiar su ángulo.
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. [ cita necesaria ] 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. [8]
Aún se debaten las órbitas óptimas para el hábitat, por lo que el mantenimiento de posiciones orbitales es probablemente una cuestión comercial. Ahora se cree que las órbitas lunares L 4 y L 5 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 tenga un acercamiento cercano y de baja energía (barato) a la Luna y luego a la Tierra. [ cita necesaria ] Esto proporciona un acceso rápido y económico tanto a las materias primas como al mercado principal. La mayoría de los diseños de hábitats planean utilizar propulsión electromagnética mediante correas , o controladores de masas utilizados en lugar de motores de cohetes. La ventaja de estos es que no utilizan ninguna masa de reacción o utilizan una masa de reacción barata. [ cita necesaria ]
Alrededor de 1970, cerca del final del Proyecto Apolo (1961-1972), Gerard K. O'Neill , un físico experimental de la Universidad de Princeton , buscaba 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 encargarles cálculos de viabilidad para grandes hábitats espaciales. Para su sorpresa, los hábitats parecían factibles incluso en tamaños muy grandes: cilindros de 8 km (5 millas) de diámetro y 32 km (20 millas) 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 naturales del Sol, el suministro de energía, la agricultura realista libre de plagas y el control de la actitud orbital sin motores de reacción. O'Neill publicó un artículo sobre estos conceptos de colonias en Physics Today en 1974. [10] Amplió el artículo en su libro de 1976 The High Frontier: Human Colonies in Space .
El resultado motivó a la NASA a patrocinar un par de talleres de verano dirigidos por O'Neill. [20] [21] Se estudiaron varios conceptos, con tamaños que oscilaban entre 1.000 y 10.000.000 de personas, [8] [22] [23] incluidas versiones del toro de Stanford . Se presentaron tres conceptos a la NASA: la Esfera de Bernal , la Colonia Toroidal y la Colonia Cilíndrica. [24]
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 hizo hincapié en 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 beneficios. Él y otros participantes supusieron que una vez que dichas instalaciones de fabricación hubieran comenzado a producir, se les encontrarían muchos usos rentables y la colonia se volvería autosuficiente y comenzaría a construir otras colonias también.
Los estudios conceptuales generaron una notable oleada de interés público. Un efecto de esta expansión fue la fundación de la Sociedad L5 en Estados Unidos, un grupo de entusiastas que deseaban construir y vivir en este tipo de 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 5 o 4 de Lagrange lunar de la Tierra.
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, implicó una serie de prototipos funcionales de un impulsor de masas , la tecnología esencial para mover minerales de manera eficiente desde la Luna a las órbitas de las colonias espaciales.
Algunos estudios conceptuales de la NASA incluyeron:
Los siguientes proyectos y propuestas, si bien no son verdaderamente hábitats espaciales, incorporan aspectos de lo que tendrían y pueden representar pasos hacia la eventual construcción 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 de hasta seis personas en misiones de hasta a dos años de duración. La centrífuga de anillo toroidal de g parcial utilizaría estructuras de estructura metálica estándar y estructuras de naves espaciales inflables y proporcionaría de 0,11 a 0,69 g si se construyera con la opción de 40 pies (12 m) de diámetro.
La demostración de centrífuga de la ISS , también propuesta en 2011 como un proyecto de demostración preparatorio para el diseño final del hábitat espacial de centrífuga toroidal más grande para el vehículo de exploración espacial multimisión. La estructura tendría un diámetro exterior de 30 pies (9,1 m) con un diámetro de sección transversal interior del anillo de 30 pulgadas (760 mm) 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 sueño para la tripulación de la ISS.
La Estación Espacial Comercial Bigelow se anunció a mediados de 2010. Bigelow ha mostrado públicamente configuraciones de diseño de estaciones espaciales con hasta nueve módulos que contienen 100.000 pies cúbicos (2.800 m 3 ) de espacio habitable. Bigelow comenzó a referirse públicamente a la configuración inicial como "Complejo Espacial Alfa" en octubre de 2010.
