Suunnittelu avaruusympäristölle, jossa on keinotekoinen painovoima ja jota voitaisiin kasvattaa ajan myötä suuremmaksi, jotta se sopisi useammalle ihmiselle
Ihmiskunnalla on kaksi pääasiallista lähestymistapaa avaruudessa elämiseen. Yleisimmin kuvattu on se, että asutamme muita taivaankappaleita, kuten Kuuta ja Marsia. Tämä lähestymistapa sisältää joitain suuria haittoja, mukaan lukien käsitteleminen myrkylliset maaperät , tarttuvaa pölyä , ja painovoiman kaivoja .
Vaihtoehtona on rakentaa omat elinympäristömme. Ne voivat sijaita missä tahansa aurinkokunnassa, olla minkä kokoisia tahansa materiaalitieteen sallimia, ja niillä voi olla erilaisia ominaisuuksia, kuten lämpötila, ilmasto, painovoima ja jopa päivän pituudet. Valitettavasti olemme vielä hyvin kaukana täysikokoisen elinympäristön kaltaisesta rakentamisesta. Olemme kuitenkin nyt askeleen lähempänä tätä, kun julkaisimme a paperi Texas A&M:n tiimiltä, joka kuvaa tapaa rakentaa laajennettavissa oleva avaruusympäristö samankeskisistä sylintereistä, joihin mahtuu jopa 8000 ihmistä.
Mikä tahansa elinympäristö, jossa monet ihmiset joutuvat käsittelemään joitain suuria avaruudessa asumisen haittapuolia. Paperin kirjoittajat nimenomaisesti luettelevat 5, joita heidän avaruusympäristönsä suunnittelussa yritettiin käsitellä:
- Painovoima
- Säteilysuojaus
- Kestävä maatalous
- Elinympäristön kasvukyky
- Kaupallinen arvo
Pitkäaikainen altistuminen painovoiman puutteelle tuhoaa ihmiskehoja aiheuttaen kaiken näön heikkeneminen kohtaan luun tiheyden menetys . Suurin osa näistä ongelmista ratkaistaan yhdellä tyylikkäällä ratkaisulla: keinotekoisella painovoimalla.
Identtiset kaksosastronautit, Scott ja Mark Kelly, ovat NASAn Twins Study -tutkimuksen kohteita. Scott (oikealla) vietti vuoden avaruudessa, kun Mark (vasemmalla) pysyi maan päällä kontrollikohteena. Scott kärsi joistakin heikentävistä vaikutuksista, jotka aiheutuivat pysymisestä nollassa pitkään. Kiitos: NASA
Meillä ei ole (vielä) tekniikkaa, jotta kapteeni Picard voisi seistä Enterprisen sillalla kuin hän seisoisi toimistorakennuksessa. Meillä on kuitenkin jotain, joka on lähellä keinotekoista painovoimaa: pyörimisen aiheuttama keskipakovoima. Tämä on melko yleinen ratkaisu tarjota astronauteille jotain painovoimaa vastaavaa. Tätä ratkaisua ei ole testattu, mutta useimmat asiantuntijat ovat yhtä mieltä siitä, että sen pitäisi lievittää useimpia painovoiman puutteeseen liittyviä terveysongelmia.
On olemassa kaksi suurta suunnittelunäkökohtaa tehtäessä keinotekoista painovoimajärjestelmää, joka poistaisi nämä terveysongelmat. Ensinnäkin käsittelee keinotekoisen painovoiman aiheuttavan elinympäristön kokoa. Jos pyörimissäde on liian pieni, ihmisen pään ja jalkojen painovoiman havaitsemisessa voi olla merkittävä ero. Tämän on tiedetty aiheuttavan matkapahoinvointia, ja se tekisi kaikista tämän vaikutuksen aiheuttaneista elinympäristöistä käyttökelvottomia.
Avaruusympäristöt voisivat joskus kasvaa mantereiden kokoisiksi ja mahdollisesti käyttää samanlaista laajennettavaa suunnittelua, joka on kuvattu uudessa asiakirjassa.
Luotto: Isaac Arthur
Toinen näkökohta keskittyy pyörimisnopeuteen. Kirjoittajat viittaavat paperiin, jossa huomautetaan, että mikä tahansa yli 4 rpm:n pyörimisnopeus aiheuttaisi myös matkapahoinvointia. Pyörimisnopeuden ylärajaa ja pyörimissäteen alarajaa käyttämällä saadaan 56 metrin säde, joka on suunnilleen yhtä korkea kuin Pisan kalteva torni . Ihminen voisi mahdollisesti elää sellaisessa elinympäristössä ilman karnevaalimatkan aiheuttamaa matkapahoinvointia ja ilman jatkuvan nollagrammassa leijumisen kielteisiä terveysvaikutuksia.
Zero G ei ole ainoa vaara, jonka tekijöiden on suunniteltava. Pitkäaikainen säteily altistuminen on äärimmäisen haitallista ihmisille, ja merkittävästi lisääntynyt syöpäriski ja soluvauriot ovat erittäin todennäköisiä pitkittyneelle avaruudessa.
Kuvaus paperissa ehdotetusta säteilysuojasta. Se koostuu regoliitin ja veden yhdistelmästä.
Luotto: Muhao Chen et al.
Kirjoittajan ratkaisu tähän vaaraan on yksinkertainen – ympäröi koko elinympäristö 5 metrillä regolith ja vettä. Heidän mallissaan vesi on kerrostettu regoliitin väliin. Suojakerros sijaitsisi siinä, mitä he kutsuvat 'kilveksi'. Se sijaitsisi lieriömäisen elinympäristön ulkopuolella ja peittäisi aurinkopaneeleilla elinympäristön virran saamiseksi. Kilven koostumus valittiin ensisijaisesti materiaalien helpon pääsyn perusteella – regoliittia ja vettä on runsaasti saatavilla paikoista, joissa on suhteellisen alhainen painovoima (eli asteroidit ja Kuu). Yhdistelmän tiedetään myös hyvin pysäyttävän sekä kosmiset säteet että auringon säteily.
Sen lisäksi, että se pysäyttää mahdollisen säteilyn, se auttaa elämää ylläpitävää järjestelmää pyörimällä hyvin hitaasti pyrkien haihduttamaan osan elinympäristön rakenteessa olevista lämpögradienteista. Kirjoittajan laskelman 0,2 rpm:n kierrosluvulla ja elinympäristön kylkeen kiinnitetyllä laajalla 'säteilijällä' ne voivat saavuttaa noin 300K (27C / 80F) sisäisen lämpötilan elinympäristössä.
Rikkoutunut näkymä 'avaruuskylä yksi' -ympäristön koko rakenteesta. Huomaa jännitysmerkkijonot ja säteilijä päärakenteen keskellä.
Luotto: Muhao Chen et al.
Tämän sisäisen lämpötilan ottaisivat hyvin vastaan elinympäristön ehdotetut muut kuin ihmisen asukkaat – kasvit. Elinympäristön tilat sijoitettaisiin sylinterin molempiin päihin kartiomaisesti, ja niiden päällä olisi läpinäkyvä lasikatto. Niitä huollettaisiin myös jättimäisillä peileillä, jotka ovat hieman vinossa ja heijastavat auringonvaloa tasaisesti maatalouspintaan.
Kirjoittajat laskivat, että jokainen aseman asukas tarvitsisi noin 300 m2viljelysmaata heidän tukekseen. Laajennetun elinympäristön kasvaessa 224 metrin säteelle (52 erillistä 4 metriä korkeaa kerrosta, joissa 20 metrin sylinteri) riittäisi maatalous- ja asuintilaa 8000 ihmiselle.
Mutta elinympäristö ei alkaisi tukea kaikkia näitä ihmisiä. 20 metrin säteellä oleva sisin sylinteri voisi toimia 'siemen'-moduulina, josta muut sylinterimäiset kerrokset rakentuvat. Ja tuossa rakennusprosessissa käytettäisiin koeteltua ja aitoa koneenrakennustekniikkaa – jännitystä.
NASA-robotti, joka on rakennettu tensegrity-periaatteilla.
Kiitokset: NASA / Adrian Agogino & Vytas Sunspiral
Jännitys on portmanteau, jonka loi Buckminster Fuller kuvaamaan yhteen kudottujen tankojen ja kielten järjestelmää, jossa tangot puristetaan ja kielet jännitetään. Sen avulla suunnittelijat voivat rakentaa todella uskomattomia rakenteita, puhumattakaan upeista huonekaluista, joita jotkut Youtuberit rakentaa .
Avaruusympäristön kannalta se antaa suunnittelijoille mahdollisuuden kehittää 6-vaiheisen laajennussuunnitelman, jota voidaan toistaa loputtomiin ilman, että elämää ylläpitäviä järjestelmiä tarvitsee sammuttaa elinympäristön laajentamisen yhteydessä. Jokainen laajennus mahdollistaa lisäsylinterin lisäämisen kompleksiin ja lisää merkittävästi asuintilaa häiritsemättä jo asennetuissa sylintereissä asuvien ihmisten elämää. Tällainen laajennettavuus tekisi mistä tahansa tätä järjestelmää käyttävästä rakenteesta paljon taloudellisesti kiinnostavamman kuin elinympäristön, jonka on säilytettävä yksi muoto. Tämä taloudellinen tekijä on äärimmäisen tärkeä osa tulevia suunnittelusuunnitelmia, koska se on pääasiallinen liikkeellepaneva tekijä avaruusinfrastruktuurin laajentamisessa yleisemmin.
Toinen tapa saada taloudellista arvoa olisi hyödyntää yhtä tämän sylinterimäisen elinympäristön mielenkiintoisista piirteistä. Sylinterin keskiosa voisi toimia 'nollapainovoimapajana', jonka avulla matkustajat voisivat tehdä painovoimakaivossa vaikeaa tai mahdotonta työtä, kuten raaka-aineen käsittelyä tai uudentyyppisten lääkkeiden kehittämistä.
3D-tulostettu malli avaruusasemasta, jossa on useita tärkeitä ominaisuuksia.
Luotto: Muhao Chen et al.
Keskisylinterillä voi myös olla tärkeä rooli elinympäristön erilaisessa taloudellisessa tekijässä - matkailua . Suunnittelijat suunnittelevat keskeisen avoimen tilan, joka on lähes kokonaan omistettu puistoalueelle. Tämä tarkoittaisi osittain elinympäristön pitkäaikaisten asukkaiden emotionaalista ja psyykkistä hyvinvointia, mutta voisi toimia myös merkittävänä matkailukohteena. Se olisi erityisen hyödyllistä, koska matkailu tulee todennäköisesti olemaan yksi tärkeimmistä taloudellisista voimista varhaisten avaruusympäristöjen synnyssä.
Matkailu on todellakin vielä kaukana, ja vaikka laukaisukustannukset jatkavat laskuaan, ennen kuin meillä on infrastruktuuri asteroidien tai kuun louhimiseen, on epätodennäköistä, että mitään merkittävää avaruusympäristöä rakennetaan. Sillä välin voimme jatkaa uusien ideoiden työstämistä, joita voimme lopulta toteuttaa. Kunpa meidän ei tarvitsisi kuluttaa niin paljon paetaksemme omaa painovoimaamme hyvin.
Lisätietoja:
Ilmailutiede ja -tekniikka: Kasvattavan keinotekoisen painovoima-avaruuden elinympäristön suunnittelu ja analysointi
Isaac Arthur: Pyörivät avaruusympäristöt
Space.com: Puhallettavat avaruusympäristöt