Un asentamiento espacial (también llamado hábitat espacial , ciudad espacial o colonia espacial ) es un asentamiento en el espacio exterior que alberga instalaciones habitables en el espacio más extensas que una estación espacial o una nave espacial en general . Posiblemente incluya sistemas ecológicos cerrados y su propósito particular es la habitación permanente.
Aún no se ha construido ningún asentamiento espacial, pero se han introducido en la ciencia ficción o se han propuesto para su realización muchos conceptos de diseño, con distintos grados de realismo.
Los asentamientos espaciales incluyen asentamientos orbitales (también llamados hábitat orbital , asentamiento orbital , ciudad orbital o colonia orbital ) [1] alrededor de la Tierra o cualquier otro cuerpo celeste, así como cicladores y arcas interestelares , como naves generacionales o naves mundiales . [2] [3]
Los asentamientos espaciales son una forma de asentamientos extraterrestres , que en términos más generales incluyen hábitats construidos sobre o dentro de un cuerpo distinto de la Tierra, como un asentamiento desarrollado a partir de una base lunar , un hábitat de Marte o un asteroide. [4]
Un asentamiento espacial es cualquier instalación de habitación a gran escala en el espacio exterior , o más particularmente en una órbita.
La Federación Astronáutica Internacional ha diferenciado los asentamientos espaciales, los hábitats espaciales y la infraestructura espacial de la siguiente manera:
- Hábitat : volumen(es) presurizado(s) dentro del cual los seres humanos viven y trabajan, incluidas las instalaciones pertinentes para el soporte vital.
- Asentamiento : conjunto de hábitats permanentemente habitados, instalados unos cerca de otros, posiblemente interconectados.
- Infraestructura : conjunto de elementos construidos que sustentan hábitats y/o asentamientos tales como (sin limitarse a): planta de energía, planta de agua, invernaderos e instalaciones de gestión de residuos, instalaciones de comunicación, instalaciones de transporte, EVA, carreteras, puerto espacial, plataformas de investigación, etc. [5]
Si bien no constituye automáticamente una entidad colonial, un asentamiento espacial puede ser un elemento de una colonia espacial . El término "colonia espacial" ha sido visto con crítica, lo que llevó a Carl Sagan a proponer el término ciudad espacial. [6] [7]
La idea de los asentamientos espaciales, ya sea en la realidad o en la ficción, se remonta a la segunda mitad del siglo XIX. " La luna de ladrillos ", un relato ficticio escrito en 1869 por Edward Everett Hale, es quizás el primer tratamiento escrito de esta idea. [8]
En 1903, el pionero espacial Konstantin Tsiolkovsky especuló sobre asentamientos espaciales cilíndricos giratorios en Beyond Planet Earth . [9] [10] En 1929, John Desmond Bernal especuló sobre asentamientos espaciales gigantes. Dandridge M. Cole a fines de la década de 1950 y en la de 1960 especuló sobre ahuecar 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 . [11]
En 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 de ingeniería. Se le ocurrió la idea de asignarles cálculos de viabilidad para grandes asentamientos 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 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 sin 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. [12] 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. [13] [14] Se estudiaron varios conceptos, con tamaños que iban desde 1.000 a 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 plan de recuperación de la inversión: 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 ganancias. Él y otros participantes supusieron que una vez que esas 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 conceptuales generaron una notable oleada de interés público. Uno de los efectos de esta expansión fue la fundación de la Sociedad L5 en los EE. UU., un grupo de entusiastas que deseaban construir y vivir en esas colonias. El grupo recibió el nombre de la órbita de la colonia espacial que entonces se creía que era la más rentable, una órbita con forma de riñón alrededor de uno de los puntos de Lagrange lunares 5 o 4 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, involucró una serie de prototipos funcionales de un impulsor de masa , la tecnología esencial para mover minerales de manera eficiente desde la Luna a las órbitas de colonias espaciales.
Hay una variedad de argumentos a favor de los asentamientos espaciales, entre ellos:
Se han presentado diversos argumentos a favor de que los asentamientos espaciales tienen una serie de ventajas:
El espacio cuenta con una gran cantidad de luz producida por el Sol. En la órbita terrestre, esto equivale a 1400 vatios de potencia por metro cuadrado. [21] 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 asentamientos espaciales.
El comercio de asentamientos de la Tierra al espacio sería más fácil que el comercio de hábitats de la Tierra a planetas, ya que los hábitats que orbitan alrededor de la Tierra no tendrán que superar un pozo de gravedad para exportar a la Tierra, y sí un pozo de gravedad más pequeño para importar desde la Tierra.
Los asentamientos espaciales pueden abastecerse con recursos de lugares extraterrestres como Marte , asteroides o la Luna ( utilización de recursos in situ [ISRU]; [20] véase Minería de asteroides ). Se podría producir oxígeno respirable, agua potable y combustible para cohetes con la ayuda de ISRU. [20] Puede llegar a ser posible fabricar paneles solares a partir de materiales lunares. [20]
La mayoría de los asteroides tienen una mezcla de materiales que podrían extraerse y, como estos cuerpos no tienen pozos de gravedad importantes, se requeriría un delta-V bajo para extraer materiales de ellos y transportarlos a un sitio de construcción. [15]
Se estima que solo en el cinturón principal de asteroides hay suficiente material para construir suficientes asentamientos espaciales para igualar la superficie habitable de 3.000 Tierras. [22]
Una estimación de 1974 suponía que la recolección de todo el material del cinturón principal de asteroides permitiría construir hábitats que darían una inmensa capacidad de población total. Utilizando los recursos que flotan libremente en el Sistema Solar, esta estimación se extendió a billones. [12]
Si se encierra un área grande en el eje de rotación, son posibles varios deportes de gravedad cero, incluida la natación, [23] [24] el ala delta [25] y el uso de aeronaves propulsadas por humanos .
Un asentamiento espacial puede ser el compartimiento de pasajeros de una gran nave espacial para colonizar asteroides , lunas y planetas. También puede funcionar como uno de los compartimientos de pasajeros de una nave generacional para viajar a otros planetas o estrellas distantes (LR Shepherd describió una nave generacional en 1952 comparándola con un pequeño planeta con muchas personas viviendo en él). [26] [27]
Los requisitos para un asentamiento espacial son muchos. Tendrían que satisfacer todas las necesidades materiales de cientos o miles de seres humanos en un entorno espacial muy hostil para la vida humana.
La gobernanza o regulación de los asentamientos espaciales es crucial para unas condiciones de habitación responsables; la arquitectura física y sociopolítica de un asentamiento espacial, si está mal establecida, corre el riesgo de albergar condiciones tiránicas y precarias particulares. [4]
Incluso los diseños de asentamiento más pequeños mencionados a continuación son más masivos que la masa total de todos los elementos que los humanos han lanzado a la órbita de la Tierra juntos. [ cita requerida ] Los requisitos previos para construir asentamientos son costos de lanzamiento más baratos o una base minera y manufacturera en la Luna u otro cuerpo que tenga un delta-v bajo desde la ubicación del hábitat deseado. [ 15 ]
Las órbitas óptimas de asentamiento aún se debaten, por lo que el mantenimiento de la posición orbital es probablemente una cuestión comercial. Ahora se cree que las órbitas lunares L 4 y L 5 están demasiado alejadas 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 requerida ] Esto proporciona un acceso rápido y económico tanto a las materias primas como al mercado principal. La mayoría de los diseños de asentamiento planean utilizar propulsión electromagnética o impulsores de masa utilizados en lugar de motores de cohetes. La ventaja de estos es que o bien no utilizan masa de reacción en absoluto, o bien utilizan masa de reacción barata. [ cita requerida ]
Si un asentamiento 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 protones del viento solar (ver Amenaza para la salud por los rayos cósmicos ).
La protección se puede lograr mediante blindaje pasivo o activo. [28] El blindaje pasivo mediante el uso de materiales ha sido el método para proteger las naves espaciales actuales.
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. [29] Alternativamente, se podría utilizar roca como protección; 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 alto fondo natural en la Tierra. [30]
Los conceptos alternativos basados en el blindaje activo aún no se han probado y son más complejos que el blindaje pasivo de masa, pero el uso de campos magnéticos y/o eléctricos, como a través de cables encapsulantes de naves espaciales, [31] para desviar partículas podría potencialmente reducir en gran medida los requisitos de masa. [32]
La presión del aire , con presiones parciales normales de oxígeno (21%), dióxido de carbono y nitrógeno (78%), es un requisito básico de cualquier asentamiento espacial. Básicamente, la mayoría de los conceptos de diseño de asentamientos espaciales prevén grandes recipientes a presión de paredes delgadas. El oxígeno necesario podría obtenerse de la roca lunar. El nitrógeno se obtiene con mayor facilidad 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. Una idea es utilizar jardines fotosintéticos , posiblemente a través de la hidroponía o la jardinería forestal . [ cita requerida ] 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 entorno cerrado, es utilizar un quemador catalítico , que descompone eficazmente la mayoría de los compuestos orgánicos. Se podría proporcionar una protección adicional mediante un pequeño sistema de destilación criogénica que eliminaría gradualmente las impurezas como el vapor de mercurio y los gases nobles que no se pueden quemar catalíticamente. [ cita requerida ]
También sería necesario proporcionar materiales orgánicos para la producción de alimentos. Al principio, la mayoría de estos tendrían que ser importados de la Tierra. [ cita requerida ] Después de eso, el reciclaje de heces debería reducir la necesidad de importaciones. [ cita requerida ] 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 requerida ] El dióxido de carbono y el agua resultantes serían inmediatamente utilizables en la agricultura. Los nitratos y las sales en la ceniza 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 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 la gente comience a vivir en asentamientos 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 sufren mareos dramáticos e incurables. La mayoría de los diseños de hábitats 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. [ cita requerida ] Girar la cabeza rápidamente en un entorno así hace que se sienta una "inclinación" a medida que los oídos internos se mueven a diferentes velocidades de rotación. Los estudios con centrífugas 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 y la inferencia estadística indican que casi todas las personas deberían poder vivir cómodamente en hábitats con un radio de rotación mayor de 500 metros y por debajo de 1 RPM. Las personas experimentadas no sólo eran más resistentes al mareo, sino que también podían usar el efecto para determinar las direcciones "spinward" y "antispinward" en las centrífugas. [ cita requerida ]
El hábitat debería soportar posibles impactos de desechos espaciales , meteoritos , polvo, etc. La mayoría de los meteoritos que impactan la Tierra se vaporizan en la atmósfera. Sin una atmósfera protectora espesa, los impactos de meteoritos supondrían un riesgo mucho mayor para un asentamiento espacial. El radar barrerá el espacio alrededor de cada hábitat, mapeando la trayectoria de los desechos y otros objetos creados por el hombre y permitiendo que se tomen medidas correctivas para proteger el hábitat. [ cita requerida ]
En algunos diseños (los diseños de hábitat "Stanford Torus" y "Crystal palace in a Hatbox" de O'Neill/NASA Ames) se utiliza un escudo anti-rayos cósmicos no giratorio de arena compacta (de unos 1,9 m de espesor) o incluso de roca artificial (1,7 m de hormigón artificial). Otras propuestas utilizan la roca como estructura y protección integral (O'Neill, "the High Frontier". Sheppard, "Concrete Space Colonies"; Spaceflight, revista del BIS). En cualquiera de estos casos, la protección contra meteoritos está implícita en la capa de radiación externa (unas 4,5 toneladas de material rocoso por metro cuadrado). [33]
Hay que tener en cuenta que los satélites de energía solar se proponen en rangos de varios GW, y dichas energías y tecnologías permitirían un mapeo de radar constante del espacio 3D cercano hasta lugares arbitrariamente lejanos, limitado únicamente por el esfuerzo invertido en hacerlo.
Hay propuestas para mover NEOs incluso de tamaño kilométrico a órbitas terrestres altas, y los motores de reacción para tales propósitos moverían un asentamiento espacial y cualquier escudo arbitrariamente grande, pero no de manera oportuna ni rápida, ya que el empuje es muy bajo comparado con la enorme masa.
El hábitat se encuentra 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 frío caería hacia el hábitat exterior. Otros diseños distribuirían refrigerantes, como agua helada desde un radiador central.
La mayoría de las geometrías de espejo requieren que algo en el hábitat esté orientado 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 impulso para hacer rodar la colonia y empujaba los pivotes orientados hacia el Sol para juntarlos o separarlos y usar la precesión para cambiar su ángulo.
Los dos conceptos originales comunes son la esfera de Bernal y el cilindro de O'Neill .
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 una nave a Marte, una choza de construcción inicial para un hábitat espacial y un hotel orbital . Tiene un radio de rotación cómodo, 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 habitación 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. [34] Este diseño especulativo también fue considerado por los estudios de la NASA. [35] Los hábitats pequeños se producirían en masa según estándares que permitan que los hábitats se interconecten. Un solo hábitat puede funcionar solo como una bola. Sin embargo, se pueden unir más hábitats, para que crezcan hasta convertirse en una " mancuerna ", luego en una "corbata de moño", luego en un anillo, luego en un cilindro de "cuentas" y, finalmente, en una matriz enmarcada de cilindros. Cada etapa de crecimiento comparte más protección contra la radiación y más equipo 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 porque puede crecer de manera muy 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 la protección contra la radiación, que gira con ellas. En tamaños grandes, la protección se vuelve económica, porque crece aproximadamente como el cuadrado del radio de la colonia. El número de personas, sus hábitats y los radiadores para enfriarlas crecen aproximadamente como el cubo del radio de la colonia.
Los asentamientos espaciales son, en principio, estaciones espaciales, por lo que los avances en la construcción de estaciones espaciales comparten muchos elementos. Los siguientes proyectos y propuestas, si bien no son verdaderamente asentamientos espaciales, incorporan aspectos de lo que serían y pueden representar pasos de gigante hacia la construcción de asentamientos espaciales.
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La Lunar Gateway es una estación espacial lunar planificada, la primera fuera de la órbita terrestre baja , siendo por tanto la primera nave espacial diseñada en el espacio sin blindaje.
La demostración de la centrífuga de la ISS se propuso en 2011 como un proyecto de demostración para un compartimento de gravedad artificial , preparatorio para un módulo similar de un vehículo de exploración espacial multimisión Nautilus-X (MMSEV). El módulo de la ISS tendría un diámetro exterior de 30 pies (9,1 m) con un diámetro de sección transversal interior de anillo de 30 pulgadas (760 mm) y proporcionaría de 0,08 a 0,51 g de gravedad parcial. Esta centrífuga de prueba y evaluación tendría la capacidad de convertirse en un módulo de sueño para la tripulación de la ISS. El diseño del vehículo posterior sería un vehículo de transporte espacial tripulado de larga duración que incluyera el 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 gravedad parcial utilizaría estructuras de naves espaciales tanto de armazón metálico estándar como inflables y proporcionaría de 0,11 a 0,69 g si se construyera con la opción de 40 pies (12 m) de diámetro.
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.
Los asentamientos espaciales han sido elementos de diferentes historias de ciencia ficción, en diferentes medios, desde libros hasta películas como Elysium (2013) para un tipo de toro de Stanford con forma de rueda e Interstellar (2014) para un tipo cilíndrico de O'Neill . [8]
