Космическая среда обитания (также называемая космическим поселением , космической колонией , космическим усадьбой , космическим городом , орбитальной средой обитания , орбитальным поселением , орбитальной колонией , орбитальным поселением или орбитальным городом ) — это более совершенная форма жилых помещений, чем космическая станция или жилой модуль , в что он задуман как постоянное поселение или зеленая среда обитания, а не как простая перевалочная станция или другой специализированный объект. Космическая среда обитания еще не построена, но многие дизайнерские концепции разной степени реалистичности исходят как от инженеров, так и от авторов научной фантастики.
Термин «космическая среда обитания» иногда включает в себя в более широком смысле среду обитания, построенную на теле или внутри него, отличного от Земли, например, на Луне, Марсе или астероиде. В этой статье основное внимание уделяется автономным конструкциям, предназначенным для микрогравитационной среды .
Космическая среда обитания, или, точнее, космическое поселение, — это любой крупномасштабный жилой комплекс в космосе , а точнее, в космическом пространстве или на орбите. Космическая среда обитания обычно проектируется с возможностью вращения, чтобы предотвратить длительное воздействие на ее обитателей опасности невесомости или микрогравитации; исследования показали, что вращение является здоровой заменой гравитации.
Хотя космическая среда обитания не является автоматически колониальным образованием, она может быть элементом космической колонии . Термин «космическая колония» был воспринят критически, что побудило Карла Сагана предложить термин « космический город». [1] [2]
Идея космической среды обитания на самом деле или вымысел восходит ко второй половине XIX века. « Кирпичная луна », вымышленный рассказ, написанный в 1869 году Эдвардом Эвереттом Хейлом, возможно, является первой письменной трактовкой этой идеи. В 1903 году пионер космоса Константин Циолковский в своей книге «За пределами планеты Земля» размышлял о вращающихся цилиндрических космических средах обитания с растениями, питаемыми Солнцем . [3] [4] В 1920-х годах Джон Десмонд Бернал и другие размышляли о гигантских космических средах обитания. Дэндридж М. Коул в конце 1950-х и 1960-х годах размышлял о выдолблении астероидов, а затем вращении их для использования в качестве поселений в различных журнальных статьях и книгах, особенно « Острова в космосе: вызов планетоидов» . [5]
Существует ряд причин появления космических обитателей. Помимо полетов человека в космос , поддержанных исследованием космоса и колонизацией космоса , причинами создания космических сред обитания являются:
Приводится ряд аргументов в пользу того, что космические среды обитания имеют ряд преимуществ:
В космосе много света, исходящего от Солнца. На околоземной орбите это составляет 1400 Вт мощности на квадратный метр. [7] Эту энергию можно использовать для производства электроэнергии с помощью солнечных батарей или тепловых двигателей , переработки руды, обеспечения света для роста растений и обогрева космических сред обитания.
Торговля средами обитания между Землей и космосом будет проще, чем торговля средами обитания между Землей и планетами, поскольку среды обитания, вращающиеся вокруг Земли, не будут иметь гравитационного колодца, который нужно преодолеть для экспорта на Землю, и меньшего гравитационного колодца, который нужно преодолеть для импорта с Земли.
Космические среды обитания могут снабжаться ресурсами из внеземных мест, таких как Марс , астероиды или Луна ( использование ресурсов на месте [ISRU]; [6] см. Добыча полезных ископаемых на астероидах ). С помощью ISRU можно будет производить кислород для дыхания, питьевую воду и ракетное топливо. [6] Возможно, станет возможным производство солнечных батарей из лунных материалов. [6]
Большинство астероидов содержат смесь материалов, которые можно добывать, и поскольку эти тела не имеют значительных гравитационных колодцев, для извлечения материалов из них и транспортировки их на строительную площадку потребуется низкая дельта-V . [8]
По оценкам, только в главном поясе астероидов имеется достаточно материала для создания достаточного количества космических сред обитания, равного площади обитаемой поверхности 3000 Земель. [9]
Оценка 1974 года предполагала, что сбор всего материала в главном поясе астероидов позволит построить среду обитания, обеспечивающую огромную общую численность населения. Используя свободно плавающие ресурсы Солнечной системы, эта оценка достигла триллионов. [10]
Если большая площадь на оси вращения закрыта, возможны различные виды спорта в невесомости, включая плавание, [11] [12] дельтапланеризм [13] и использование летательных аппаратов с приводом от человека .
Космической средой обитания может стать пассажирский салон большого космического корабля для колонизации астероидов , лун и планет. Он также может функционировать как корабль поколений для путешествий к другим планетам или далеким звездам (Л. Р. Шеперд описал звездолет поколения в 1952 году, сравнив его с маленькой планетой, на которой живет множество людей.) [14] [15]
Требования к космической среде обитания многочисленны. Им придется обеспечить все материальные потребности сотен или тысяч людей в условиях космоса, которые очень враждебны человеческой жизни.
Давление воздуха с нормальным парциальным давлением кислорода (21%), углекислого газа и азота (78%) является основным требованием любой космической среды обитания. По сути, большинство концепций проектирования космических сред предполагают большие тонкостенные сосуды под давлением. Необходимый кислород можно было получить из лунной породы. Азот легче всего получить с Земли, но он также почти идеально перерабатывается. Также азот в виде аммиака ( NH3) можно получить с комет и спутников внешних планет. Азот также может присутствовать в неизвестных количествах на некоторых других телах внешней Солнечной системы . Воздух среды обитания можно перерабатывать разными способами. Одна из концепций заключается в использовании фотосинтетических садов , возможно, с помощью гидропоники или лесного садоводства . [ нужна цитация ] Однако они не удаляют некоторые промышленные загрязнители, такие как летучие масла, и избыток простых молекулярных газов. Стандартный метод, используемый на атомных подводных лодках с аналогичной формой закрытой среды, заключается в использовании каталитической горелки, которая эффективно разлагает большую часть органики. Дополнительную защиту могла бы обеспечить небольшая система криогенной дистилляции, которая постепенно удаляла бы примеси, такие как пары ртути и благородные газы, которые не могут быть каталитически сожжены. [ нужна цитата ]
Также необходимо будет обеспечить органические материалы для производства продуктов питания. Сначала большую часть из них придется импортировать с Земли. [ нужна цитата ] После этого переработка фекалий должна снизить потребность в импорте. [ нужна цитата ] Один из предлагаемых методов переработки начинается со сжигания криогенного дистиллята, растений, мусора и сточных вод воздухом в электрической дуге и последующей перегонки результата. [ нужна цитата ] Полученный углекислый газ и вода будут немедленно использованы в сельском хозяйстве. Нитраты и соли в золе можно растворить в воде и разделить на чистые минералы. Большую часть нитратов, солей калия и натрия можно будет использовать в качестве удобрений. Другие минералы, содержащие железо, никель и кремний, могут быть химически очищены партиями и повторно использованы в промышленности. Небольшая часть оставшихся материалов, значительно ниже 0,01% по массе, может быть переработана в чистые элементы с помощью масс -спектрометрии в невесомости и добавлена в соответствующих количествах в удобрения и промышленные запасы. Вполне вероятно, что методы будут значительно усовершенствованы, когда люди начнут жить в космических средах обитания.
Длительные исследования на орбите доказали, что невесомость ослабляет кости и мышцы, а также нарушает метаболизм кальция и иммунную систему. У большинства людей постоянная заложенность носа или проблемы с пазухами, а у некоторых людей наблюдается серьезная, неизлечимая укачивание. Большинство проектов среды обитания будут вращаться, чтобы использовать силы инерции для имитации гравитации . Исследования НАСА на курах и растениях доказали, что это эффективный физиологический заменитель гравитации. [ нужна цитата ] Быстрый поворот головы в такой среде вызывает ощущение «наклона», поскольку внутренние уши движутся с разной скоростью вращения. Исследования центрифуг показывают, что люди страдают от укачивания в местах обитания с радиусом вращения менее 100 метров или со скоростью вращения выше 3 оборотов в минуту. Однако те же исследования и статистические выводы показывают, что почти все люди должны иметь возможность комфортно жить в средах обитания с радиусом вращения более 500 метров и скоростью ниже 1 об/мин. Опытные люди были не только более устойчивы к морской болезни, но также могли использовать этот эффект для определения направлений «по направлению вращения» и «против вращения» в центрифугах. [ нужна цитата ]
Если космическая среда обитания расположена в точках L4 или L5 , то ее орбита выведет ее за пределы защиты земной магнитосферы примерно на две трети времени (как это происходит с Луной), подвергая жителей риску воздействия протонов со стороны космического пространства. солнечный ветер (см. Угроза здоровью от космических лучей ). Водяные или ледяные стены могут обеспечить защиту от солнечной и космической радиации, поскольку глубина воды 7 см блокирует примерно половину падающего излучения. [16] В качестве альтернативы в качестве защиты можно использовать камень; 4 метрические тонны на квадратный метр площади поверхности могут снизить дозу радиации до нескольких мЗв или меньше в год, что ниже уровня в некоторых населенных районах с высоким естественным фоном на Земле. [17] Альтернативные концепции, основанные на активной защите, еще не проверены и более сложны, чем такая пассивная массовая защита, но использование магнитных и/или электрических полей для отклонения частиц потенциально может значительно снизить требования к массе. [18]
Среда обитания находится в вакууме, а потому напоминает гигантский термос. В местах обитания также необходим радиатор для отвода тепла от поглощенного солнечного света. Очень маленькие среды обитания могут иметь центральную лопасть, которая вращается вместе с средой обитания. В этой конструкции конвекция будет поднимать горячий воздух «вверх» (к центру), а холодный воздух будет падать во внешнюю среду обитания. В некоторых других конструкциях охлаждающая жидкость распределяется, например, охлажденная вода из центрального радиатора.
Среда обитания должна будет выдерживать потенциальные воздействия космического мусора , метеоритов , пыли и т. д. Большинство метеороидов, падающих на Землю, испаряются в атмосфере. Без плотной защитной атмосферы удары метеоритов представляли бы гораздо больший риск для космической среды обитания. Радар будет обследовать пространство вокруг каждой среды обитания, отображая траекторию движения мусора и других искусственных объектов и позволяя принять корректирующие меры для защиты среды обитания. [ нужна цитата ]
В некоторых проектах (О'Нил/НАСА Эймс «Стэнфордский тор» и «Хрустальный дворец в шляпной коробке») конструкции среды обитания имеют невращающийся щит от космических лучей из утрамбованного песка (толщиной около 1,9 м) или даже искусственного заполнителя (эрзац 1,7 м). В других предложениях камень используется в качестве конструкции и встроенной защиты (О'Нил, «Высокий рубеж». Шеппард, «Бетонные космические колонии»; «Космический полет», журнал BIS). В любом из этих случаев подразумевается мощная защита от метеороидов. внешней радиационной оболочкой ~4,5 тонн горного материала на квадратный метр [19] .
Обратите внимание, что спутники на солнечной энергии предлагаются в диапазонах нескольких ГВт, и такие энергии и технологии позволят осуществлять постоянное радиолокационное картографирование близлежащего трехмерного пространства - на произвольное расстояние, ограниченное только затраченными на это усилиями.
Имеются предложения по перемещению ОСЗ даже километрового размера на высокие околоземные орбиты, а реактивные двигатели для таких целей могли бы переместить космическую среду обитания и любой сколь угодно большой щит, но не своевременно и быстро, поскольку тяга очень мала по сравнению с огромной масса.
Большинство геометрий зеркал требуют, чтобы что-то в среде обитания было направлено на Солнце, поэтому необходим контроль ориентации . В оригинальной конструкции О'Нила два цилиндра использовались в качестве импульсных колес для перекатывания колонии, а шарниры, обращенные к солнцу, сдвигались вместе или раздвигались, чтобы использовать прецессию для изменения их угла.
Даже самые маленькие из упомянутых ниже конструкций среды обитания более массивны, чем общая масса всех объектов, которые люди когда-либо запускали на околоземную орбиту, вместе взятых. [ нужна цитата ] Предпосылками для строительства среды обитания являются либо более дешевые затраты на запуск, либо горнодобывающая и производственная база на Луне или другом теле, имеющем низкую дельту-v от желаемого места обитания. [8]
Оптимальные орбиты обитания все еще обсуждаются, поэтому поддержание орбитальной станции, вероятно, является коммерческим вопросом. Сейчас считается, что лунные орбиты L 4 и L 5 находятся слишком далеко от Луны и Земли. Более современное предложение состоит в использовании резонансной орбиты «два к одному», которая поочередно имеет близкий, низкоэнергетический (дешевый) подход к Луне, а затем к Земле. [ нужна цитата ] Это обеспечивает быстрый и недорогой доступ как к сырью, так и к основному рынку. В большинстве проектов среды обитания планируется использовать электромагнитную тросовую двигательную установку или приводы массы вместо ракетных двигателей. Преимущество этих методов состоит в том, что они либо вообще не используют реакционную массу, либо используют дешевую реакционную массу. [ нужна цитата ]
Примерно в 1970 году, ближе к концу проекта «Аполлон» (1961–1972), Джерард К. О'Нил , физик-экспериментатор из Принстонского университета , искал тему, которая могла бы соблазнить своих студентов-физиков, большинство из которых были первокурсниками инженерного факультета. Ему пришла в голову идея поручить им технико-экономические обоснования крупных космических сред обитания. К его удивлению, среды обитания казались возможными даже в очень больших размерах: цилиндры диаметром 8 км (5 миль) и длиной 32 км (20 миль), даже если они были сделаны из обычных материалов, таких как сталь и стекло. Кроме того, студенты решали такие задачи, как радиационная защита от космических лучей (почти бесплатно в больших размерах), получение натуралистичных углов Солнца, обеспечение электроэнергией, реалистичное сельское хозяйство без вредителей и управление орбитальной ориентацией без реактивных двигателей. О'Нил опубликовал статью об этих концепциях колоний в журнале Physics Today в 1974 году. [10] Он расширил статью в своей книге 1976 года « Высокий рубеж: человеческие колонии в космосе ».
Результат побудил НАСА спонсировать пару летних семинаров под руководством О'Нила. [20] [21] Было изучено несколько концепций с размерами от 1 000 до 10 000 000 человек, [8] [22] [23] включая версии Стэнфордского тора . НАСА были представлены три концепции: сфера Бернала , тороидальная колония и цилиндрическая колония. [24]
В концепциях О'Нила был пример схемы окупаемости: строительство спутников солнечной энергии из лунных материалов. О'Нил не делал акцент на строительстве спутников на солнечной энергии как таковом, а скорее предложил доказательство того, что орбитальное производство из лунных материалов может приносить прибыль. Он и другие участники предполагали, что как только такие производственные предприятия начнут производство, им будет найдено множество выгодных применений, а колония станет самоокупаемой и начнет строить и другие колонии.
Концептуальные исследования вызвали заметный всплеск общественного интереса. Одним из результатов этого расширения стало основание в США Общества L5 — группы энтузиастов, желавших строить такие колонии и жить в них. Группа была названа в честь орбиты космической колонии, которая тогда считалась наиболее прибыльной, — почкообразной орбиты вокруг одной из лунных точек Лагранжа 5 или 4.
В 1977 году О'Нил основал Институт космических исследований , который первоначально профинансировал и построил несколько прототипов нового оборудования, необходимого для усилий по колонизации космоса , а также подготовил ряд технико-экономических обоснований. Например, один из первых проектов включал серию функциональных прототипов двигателя массы — важной технологии для эффективного перемещения руды с Луны на орбиты космических колоний.
Некоторые концептуальные исследования НАСА включали:
Следующие проекты и предложения, хотя и не являются настоящими космическими средами обитания, включают в себя аспекты того, что они могли бы иметь, и могут представлять собой ступеньки на пути к конечному строительству космических сред обитания.
Многоцелевой космический исследовательский аппарат Наутилус-X (MMSEV): это предложение НАСА 2011 года по созданию космического транспортного корабля с экипажем длительного действия включало отсек с искусственной гравитацией , предназначенный для улучшения здоровья экипажа численностью до шести человек в миссиях до сроком до двух лет. В центрифуге с торическим кольцом частичной гравитации будут использоваться как стандартные металлические каркасы, так и надувные конструкции космического корабля, и она будет обеспечивать от 0,11 до 0,69 g , если будет построена с вариантом диаметра 40 футов (12 м).
Демонстрация центрифуги МКС , также предложенная в 2011 году в качестве демонстрационного проекта в рамках подготовки к окончательному проектированию более крупной космической среды обитания торовой центрифуги для многоцелевого космического исследовательского корабля. Конструкция будет иметь внешний диаметр 30 футов (9,1 м) с внутренним диаметром поперечного сечения кольца 30 дюймов (760 мм) и обеспечивать частичную гравитацию от 0,08 до 0,51 г. Эта испытательная и оценочная центрифуга может стать спальным модулем для экипажа МКС.
О коммерческой космической станции Бигелоу было объявлено в середине 2010 года. Бигелоу публично продемонстрировал конфигурации космической станции, включающие до девяти модулей, содержащих 100 000 куб футов (2800 м 3 ) жилого пространства. Бигелоу начал публично называть первоначальную конфигурацию «Космическим комплексом Альфа» в октябре 2010 года.
