Космическое поселение (также называемое космической средой обитания , космической резиденцией , космическим городом или космической колонией ) — это поселение в открытом космосе , обеспечивающее более обширные возможности для проживания в космосе, чем обычная космическая станция или космический корабль . Возможно, включая закрытые экологические системы , его особая цель — постоянное проживание.
Ни одно космическое поселение пока не построено, но множество концепций дизайна с разной степенью реалистичности были представлены в научной фантастике или предложены для реальной реализации.
Космические поселения включают орбитальные поселения (также называемые орбитальной средой обитания , орбитальным поселением , орбитальным городом или орбитальной колонией ) [1] вокруг Земли или любого другого небесного тела, а также циклоны и межзвездные ковчеги , как корабли поколений или мировые корабли . [2] [3]
Космические поселения являются формой внеземных поселений , которые в более широком смысле включают в себя среды обитания, построенные на или внутри тела, отличного от Земли, например, поселения, созданные на базе на Луне , марсианские поселения или астероиды. [4]
Космическое поселение — это любой крупномасштабный жилой объект в космическом пространстве или, в частности, на орбите.
Международная астронавтическая федерация разделила космические поселения на космические среды обитания и космическую инфраструктуру следующим образом:
- Среда обитания : герметичный объем(ы), в котором живут и работают люди, включая соответствующие объекты жизнеобеспечения.
- Поселение : группа постоянно обитаемых местообитаний, расположенных рядом друг с другом и, возможно, соединенных между собой.
- Инфраструктура : набор построенных элементов, поддерживающих среду обитания и/или поселения, таких как (и не ограничиваясь): электростанция, водозаборная станция, теплицы и объекты по переработке отходов, средства связи, транспортные средства, EVA, дороги, космодром, исследовательские платформы и т. д. [5]
Хотя космическое поселение не является автоматически колониальным образованием, оно может быть элементом космической колонии . Термин «космическая колония» был рассмотрен критически, что побудило Карла Сагана предложить термин « космический город». [6] [7]
Идея космических поселений, как в реальности, так и в вымысле, восходит ко второй половине XIX века. « Кирпичная луна », вымышленный рассказ, написанный в 1869 году Эдвардом Эвереттом Хейлом, является, возможно, первым изложением этой идеи в письменной форме. [8]
В 1903 году пионер космонавтики Константин Циолковский размышлял о вращающихся цилиндрических космических поселениях в книге Beyond Planet Earth . [9] [10] В 1929 году Джон Десмонд Бернал размышлял о гигантских космических поселениях. Дэндридж М. Коул в конце 1950-х и 1960-х годах размышлял о выдалбливании астероидов и их последующем вращении для использования в качестве поселений в различных журнальных статьях и книгах, в частности в книге Islands In Space: The Challenge Of The Planetoids . [11]
Около 1970 года, ближе к концу проекта «Аполлон» (1961–1972), Джерард К. О'Нил , физик-экспериментатор из Принстонского университета , искал тему, которая могла бы заинтересовать его студентов-физиков, большинство из которых были первокурсниками инженерного факультета. Он натолкнулся на идею поручить им расчеты осуществимости для крупных космических поселений. К его удивлению, среды обитания казались осуществимыми 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 проблемы, как защита от радиации от космических лучей (почти свободная в больших размерах), получение натуралистичных углов Солнца, обеспечение электроэнергией, реалистичное сельское хозяйство без вредителей и управление орбитальным положением без реактивных двигателей. О'Нил опубликовал статью об этих концепциях колоний в журнале Physics Today в 1974 году. [12] Он расширил статью в своей книге 1976 года «Высокий рубеж: человеческие колонии в космосе» .
Результат побудил NASA спонсировать несколько летних семинаров под руководством О'Нила. [13] [14] Было изучено несколько концепций с размерами от 1000 до 10 000 000 человек, [15] [16] [17] включая версии Стэнфордского тора . NASA были представлены три концепции: сфера Бернала , тороидальная колония и цилиндрическая колония. [18]
В концепциях О'Нила был пример схемы окупаемости: строительство спутников солнечной энергии из лунных материалов. О'Нил не делал акцент на строительстве спутников солнечной энергии как таковом, а скорее приводил доказательства того, что орбитальное производство из лунных материалов может приносить прибыль. Он и другие участники предполагали, что как только такие производственные мощности начнут производство, для них будет найдено много прибыльных применений, и колония станет самоокупаемой и начнет строить другие колонии.
Концептуальные исследования вызвали заметный всплеск общественного интереса. Одним из последствий этого расширения стало основание в США Общества L5 , группы энтузиастов, которые хотели строить и жить в таких колониях. Группа была названа в честь орбиты космической колонии, которая тогда считалась наиболее прибыльной, почковидной орбиты вокруг одной из лунных точек Лагранжа Земли 5 или 4.
В 1977 году О'Нил основал Институт космических исследований , который изначально финансировал и построил несколько прототипов нового оборудования, необходимого для колонизации космоса , а также подготовил ряд технико-экономических обоснований. Например, один из ранних проектов включал серию функциональных прототипов массового двигателя , важнейшей технологии для эффективного перемещения руд с Луны на орбиты космических колоний.
Существует ряд аргументов в пользу космических поселений, в том числе:
Приводится ряд аргументов в пользу того, что космические поселения имеют ряд преимуществ:
В космосе очень много света, который производит Солнце. На околоземной орбите это составляет 1400 Вт мощности на квадратный метр. [21] Эту энергию можно использовать для производства электроэнергии с помощью солнечных батарей или тепловых двигателей на электростанциях, для переработки руд, для освещения растений и для обогрева космических поселений.
Торговля поселениями с Земли в космос будет проще, чем торговля с Земли в планетарные среды обитания, поскольку средам обитания, вращающимся вокруг Земли, не придется преодолевать гравитационный колодец для экспорта на Землю, а для импорта с Земли придется преодолевать меньший гравитационный колодец.
Космические поселения могут снабжаться ресурсами из внеземных мест, таких как Марс , астероиды или Луна ( утилизация ресурсов на месте [ISRU]; [20] см. Добыча полезных ископаемых на астероидах ). С помощью ISRU можно было бы производить кислород для дыхания, питьевую воду и ракетное топливо. [20] Может стать возможным производство солнечных панелей из лунных материалов. [20]
Большинство астероидов содержат смесь материалов, которые можно добывать, и поскольку эти тела не имеют значительных гравитационных скважин, для извлечения из них материалов и их транспортировки на строительную площадку потребуется низкая дельта-V . [15]
По оценкам, только в главном поясе астероидов достаточно материала, чтобы построить достаточно космических поселений, чтобы по площади соответствовать пригодной для жизни поверхности 3000 планет Земля. [22]
Оценка 1974 года предполагала, что сбор всего материала в главном поясе астероидов позволит построить среду обитания, которая даст огромную общую вместимость населения. Используя свободно плавающие ресурсы Солнечной системы, эта оценка была расширена до триллионов. [12]
Если оградить большую площадь на оси вращения, то возможны различные виды спорта в условиях невесомости, включая плавание, [23] [24] дельтапланеризм [25] и использование летательных аппаратов с тягой человека .
Космическое поселение может быть пассажирским отсеком большого космического корабля для колонизации астероидов , лун и планет. Он также может функционировать как один для корабля поколений для путешествий к другим планетам или далеким звездам (Л. Р. Шепард описал звездолет поколений в 1952 году, сравнив его с небольшой планетой, на которой живет много людей.) [26] [27]
Требования к космическому поселению многочисленны. Им придется обеспечивать все материальные потребности сотен или тысяч людей в среде в космосе, которая очень враждебна для человеческой жизни. [28]
Управление или регулирование космических поселений имеет решающее значение для ответственных условий проживания. Физическая, а также социально-политическая архитектура космического поселения, если она плохо установлена, может привести к тираническим и нестабильным условиям. [4]
Даже самые маленькие из проектов поселений, упомянутых ниже, массивнее, чем общая масса всех предметов, которые люди когда-либо запускали на орбиту Земли вместе взятых. [ требуется ссылка ] Предпосылками для строительства поселений являются либо более низкие затраты на запуск, либо горнодобывающая и производственная база на Луне или другом теле, имеющем низкую дельта-v от желаемого места обитания. [15]
Оптимальные орбиты поселений все еще обсуждаются, и поэтому удержание орбитальной станции , вероятно, является коммерческой проблемой. Лунные орбиты L 4 и L 5 в настоящее время считаются слишком далекими от Луны и Земли. Более современное предложение заключается в использовании резонансной орбиты два к одному, которая попеременно имеет близкий, низкоэнергетический (дешевый) подход к Луне, а затем к Земле. [ необходима цитата ] Это обеспечивает быстрый и недорогой доступ как к сырью, так и к основному рынку. Большинство проектов поселений планируют использовать электромагнитный тросовый двигатель или массовые двигатели, используемые вместо ракетных двигателей. Преимущество этого в том, что они либо вообще не используют реактивную массу, либо используют дешевую реактивную массу. [ необходима цитата ]
Если космическое поселение расположено в точке L4 или L5 , то его орбита будет выводить его за пределы защиты магнитосферы Земли примерно на две трети времени (как это происходит с Луной), подвергая жителей риску воздействия протонов солнечного ветра (см. Угроза здоровью от космических лучей ).
Защита может быть достигнута посредством пассивного или активного экранирования. [29] Пассивное экранирование посредством использования материалов является методом экранирования современных космических аппаратов.
Стены из воды или льда могут обеспечить защиту от солнечной и космической радиации, поскольку 7 см глубины воды блокируют примерно половину падающего излучения. [30] В качестве альтернативы в качестве защиты можно использовать скалу; 4 метрические тонны на квадратный метр площади поверхности могут снизить дозу радиации до нескольких мЗв или менее в год, что ниже уровня некоторых населенных районов с высоким естественным фоном на Земле. [31]
Альтернативные концепции, основанные на активном экранировании, пока не проверены и более сложны, чем пассивное экранирование масс, но использование магнитных и/или электрических полей, например, с помощью инкапсулирующих проводов космического корабля [32] , для отклонения частиц может потенциально значительно снизить требования к массе. [33]
Давление воздуха с нормальным парциальным давлением кислорода (21%), углекислого газа и азота (78%) является основным требованием любого космического поселения. В основном, большинство концепций проектов космических поселений предусматривают большие тонкостенные сосуды под давлением. Требуемый кислород может быть получен из лунной породы. Азот легче всего получить с Земли, но он также почти идеально перерабатывается. Кроме того, азот в форме аммиака ( NH3) можно получить из комет и лун внешних планет. Азот также может быть доступен в неизвестных количествах на некоторых других телах во внешней Солнечной системе . Воздух среды обитания может быть переработан несколькими способами. Одна из концепций заключается в использовании фотосинтетических садов , возможно, с помощью гидропоники или лесного садоводства . [ требуется цитата ] Однако они не удаляют некоторые промышленные загрязнители, такие как летучие масла и избыток простых молекулярных газов. Стандартный метод, используемый на атомных подводных лодках , аналогичной форме закрытой среды, заключается в использовании каталитической горелки, которая эффективно разлагает большинство органических веществ. Дополнительная защита может быть обеспечена небольшой криогенной системой дистилляции, которая будет постепенно удалять примеси, такие как пары ртути и благородные газы, которые не могут быть сожжены каталитически. [ требуется цитата ]
Также необходимо будет обеспечить органические материалы для производства продуктов питания. Сначала большую часть из них придется импортировать с Земли. [ требуется цитата ] После этого переработка фекалий должна сократить потребность в импорте. [ требуется цитата ] Один из предлагаемых методов переработки начнется со сжигания криогенного дистиллята, растений, мусора и сточных вод с воздухом в электрической дуге и перегонки результата. [ требуется цитата ] Полученные углекислый газ и вода будут немедленно пригодны для использования в сельском хозяйстве. Нитраты и соли в золе можно будет растворить в воде и разделить на чистые минералы. Большая часть нитратов, солей калия и натрия будет переработана в удобрения. Другие минералы, содержащие железо, никель и кремний, можно будет химически очищать партиями и повторно использовать в промышленности. Небольшую часть оставшихся материалов, значительно ниже 0,01% по весу, можно будет переработать в чистые элементы с помощью масс-спектрометрии в невесомости и добавить в соответствующих количествах в удобрения и промышленные запасы. Вполне вероятно, что методы будут значительно усовершенствованы, когда люди начнут жить в космических поселениях.
Долгосрочные 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 драматическая, неизлечимая морская болезнь. Большинство конструкций среды обитания вращаются, чтобы использовать инерционные силы для имитации гравитации . Исследования НАСА с курами и растениями доказали, что это эффективная физиологическая замена гравитации. [ необходима цитата ] Быстрый поворот головы в такой среде вызывает ощущение «наклона», поскольку внутреннее ухо движется с разной скоростью вращения. Исследования с использованием центрифуги показывают, что люди заболевают морской болезнью в средах обитания с радиусом вращения менее 100 метров или со скоростью вращения более 3 оборотов в минуту. Однако те же исследования и статистические выводы указывают на то, что почти все люди должны иметь возможность комфортно жить в средах обитания с радиусом вращения более 500 метров и скоростью вращения ниже 1 об/мин. Опытные люди не только были более устойчивы к укачиванию, но и могли использовать этот эффект для определения «направлений вращения» и «против вращения» в центрифугах. [ необходима цитата ]
Среда обитания должна выдерживать потенциальные воздействия космического мусора , метеороидов , пыли и т. д. Большинство метеороидов, которые попадают на землю, испаряются в атмосфере. Без плотной защитной атмосферы удары метеороидов будут представлять гораздо больший риск для космического поселения. Радар будет прочесывать пространство вокруг каждой среды обитания, отображая траекторию мусора и других искусственных объектов и позволяя принимать корректирующие меры для защиты среды обитания. [ необходима цитата ]
В некоторых проектах (проекты жилищ О'Нила/НАСА Эймса «Стэнфордский тор» и «Хрустальный дворец в шляпной коробке») есть невращающийся экран от космических лучей из утрамбованного песка (толщиной ~1,9 м) или даже искусственного заполнителя из камня (эрзац-бетон толщиной 1,7 м). В других предложениях камень используется в качестве структуры и интегральной защиты (О'Нил, «Высокий рубеж». Шеппард, «Бетонные космические колонии»; Spaceflight, журнал BIS). В любом из этих случаев сильная защита от метеороидов подразумевается внешней радиационной оболочкой ~4,5 тонны скального материала на квадратный метр. [34]
Обратите внимание, что предлагаются спутники на солнечных батареях в диапазоне нескольких ГВт, и такие виды энергии и технологии позволят осуществлять постоянное радиолокационное картирование близлежащего трехмерного пространства на сколь угодно большие расстояния, ограничиваясь только затраченными на это усилиями.
Существуют предложения по перемещению даже околоземных объектов размером с километр на высокие околоземные орбиты, а реактивные двигатели для таких целей могли бы перемещать космическое поселение и любой сколь угодно большой щит, но не так быстро и своевременно, поскольку тяга очень мала по сравнению с огромной массой.
Среда обитания находится в вакууме и поэтому напоминает гигантский термос. Средам обитания также нужен радиатор для отвода тепла от поглощенного солнечного света. Очень маленькие среды обитания могут иметь центральную лопасть, которая вращается вместе со средой обитания. В этой конструкции конвекция будет поднимать горячий воздух «вверх» (к центру), а холодный воздух будет опускаться вниз во внешнюю среду обитания. Некоторые другие конструкции будут распределять хладагенты, такие как охлажденная вода из центрального радиатора.
Большинство зеркальных геометрий требуют, чтобы что-то в среде обитания было направлено на Солнце, поэтому необходим контроль ориентации . Первоначальный дизайн О'Нила использовал два цилиндра в качестве инерционных колес для вращения колонии и сближал или раздвигал шарниры, направленные к солнцу, чтобы использовать прецессию для изменения их угла.
Две общие исходные концепции — это сфера Бернала и цилиндр О'Нила .
Гантелеобразный космический корабль или среда обитания, соединенный кабелем с противовесом или другой средой обитания. Эта конструкция была предложена в качестве марсианского корабля, начальной строительной хижины для космической среды обитания и орбитального отеля . Он имеет удобно длинный и медленный радиус вращения для относительно небольшой массы станции. Кроме того, если часть оборудования может образовывать противовес, оборудование, предназначенное для искусственной гравитации, представляет собой просто кабель и, таким образом, имеет гораздо меньшую массовую долю, чем в других концепциях. Однако для долгосрочного обитания радиационная защита должна вращаться вместе с средой обитания и является чрезвычайно тяжелой, поэтому требуется гораздо более прочный и тяжелый кабель. [35] Эта спекулятивная конструкция также рассматривалась в исследованиях НАСА. [36] Небольшие среды обитания будут производиться массово по стандартам, которые позволяют средам обитания соединяться. Одна среда обитания может работать отдельно как бола. Однако могут быть присоединены дополнительные среды обитания, чтобы вырасти в « гантель », затем в «галстук-бабочку», затем в кольцо, затем в цилиндр из «бусин» и, наконец, в каркасный массив цилиндров. На каждом этапе роста используется больше радиационной защиты и капитального оборудования, что повышает избыточность и безопасность при одновременном снижении затрат на человека. Эта концепция была изначально предложена профессиональным архитектором, поскольку она может расти так же, как города на Земле, с постепенными индивидуальными инвестициями, в отличие от тех, которые требуют больших стартовых инвестиций. Главным недостатком является то, что меньшие версии используют большую конструкцию для поддержки радиационной защиты, которая вращается вместе с ними. В больших размерах защита становится экономичной, поскольку она растет примерно как квадрат радиуса колонии. Количество людей, их среды обитания и радиаторы для их охлаждения растут примерно как куб радиуса колонии.
Космические поселения в принципе являются космическими станциями, поэтому разработки в области строительства космических станций имеют много общих элементов. Следующие проекты и предложения, хотя и не являются настоящими космическими поселениями, включают аспекты того, что они могли бы иметь, и могут представлять собой ступеньки к конечному строительству космических поселений.
.jpg/1280px-Gateway_and_Orion_in_lunar_orbit_(5).jpg)
Lunar Gateway — это планируемая лунная космическая станция, первая за пределами низкой околоземной орбиты , и, следовательно, первый космический корабль, спроектированный в незащищенном космосе.
Центрифуга ISS Centrifuge Demo была предложена в 2011 году в качестве демонстрационного проекта для отсека искусственной гравитации , подготовительного для аналогичного модуля Nautilus-X Multi-Mission Space Exploration Vehicle (MMSEV). Модуль ISS будет иметь внешний диаметр 30 футов (9,1 м) с диаметром внутреннего поперечного сечения кольца 30 дюймов (760 мм) и будет обеспечивать частичную гравитацию от 0,08 до 0,51g . Эта испытательная и оценочная центрифуга будет иметь возможность стать спальным модулем для экипажа МКС. Последующая конструкция корабля будет представлять собой долговременный пилотируемый космический транспортный корабль, включающий отсек искусственной гравитации, предназначенный для поддержания здоровья экипажа для экипажа из шести человек в миссиях продолжительностью до двух лет. Центрифуга с частичным g -тором и кольцом будет использовать как стандартные металлические каркасные, так и надувные конструкции космических аппаратов и будет обеспечивать от 0,11 до 0,69 g , если будет построена с опцией диаметра 40 футов (12 м).
Коммерческая космическая станция Bigelow была анонсирована в середине 2010 года. Bigelow публично продемонстрировала конфигурации проекта космической станции с девятью модулями, содержащими 100 000 куб. футов (2800 м 3 ) жилого пространства. Bigelow начала публично называть первоначальную конфигурацию «Космическим комплексом Альфа» в октябре 2010 года.
Космические поселения были элементами различных научно-фантастических историй в различных средствах массовой информации, от книг до фильмов, таких как «Элизиум» (2013) для типа колеса Стэнфордского тора и «Интерстеллар » (2014) для цилиндрического типа О'Нила . [8]
