Hur vi faktiskt kunde bygga en rymdkoloni
namn: Bernal sphere; Stanford torus; O ’Neill cylinder
namngiven efter: respektive brittisk forskare John Desmond Bernal, som föreslog tanken 1929; ett sommarstudieprogram som hölls av NASA 1975 vid Stanford University; Princeton fysiker Gerard K. O’ Neill i en bok från 1976 om rymdkolonisering.
utvalda Science Fiction-skildringar: Stanford torus-liknande rymdstationer visas i 1968-filmen 2001: A Space Odyssey och 2013-talet Elysium. En modifierad O ’ Neill-cylinder fungerade som grund för rymdstationen Babylon 5 i TV-serien med samma namn på 1990-talet och i Arthur C. Clarkes Rama-romaner.
lusten att leva på nya platser har drivit vår art att bosätta jordens hårdaste klimat, från öknar till tundror. En dag kan samma uppmaning (eller, mindre optimistiskt, förödelse till vår hemvärld) driva oss att kolonisera den tuffaste miljön av alla: rymden.
även om de låter ofattbart futuristiska, rymdstationer bostäder tusentals människor är faktiskt väl inom vår tekniska och tekniska know-how. Forskare har hävdat att permanenta rymdutposter kan tänkas byggas för mindre än vad USA spenderar årligen på sin militär.
tillbaka på 1970-talet undersökte till exempel NASA-finansierade forskare genomförbarheten av flera kolonidesigner. Och de var tvungna att göra det för mindre än 35 miljarder dollar (norr om 200 miljarder dollar i dagens dollar). ”Allt måste baseras på vad som var tillgängligt vid den tiden”, säger Jerry Stone, ledare för British Interplanetary Society ’ s Project SPACE (Study Project Advancing Colony Engineering), som nu uppdaterar de decennier gamla designerna för att ta hänsyn till nya material som kolfiber, liksom moderna robotar och datorkraft.
den 1970-talets verkstad gav tre distinkta designkoncept som fortfarande är allmänt refererade idag: Bernal sphere, Stanford torus och O ’ Neill-cylindern. Så vi använder dem som vår guide till vad det skulle ta att bygga en blomstrande koloni i rymden. Alla tre mönster innehåller i huvudsak ett bostadsutrymme roterat för att inducera gravitation, med den viktigaste skillnaden är den form som används.
Bernal Sphere
en Bernal sphere exteriör. (Foto Kredit: National Space Society)
en Bernal sfär är i huvudsak en jordklot ungefär en tredjedel av en mil i diameter som roterar nästan två gånger per minut för att ge jordliknande gravitation längs dess ekvator. (Denna känsla av artificiell gravitation skulle peter ut nära polerna.)
omkring 10 000 personer kunde fylla det inre utrymmet, deras byggnader kantar kurvan och visas över huvudet över sfärens yta.
en Bernal sfär interiör. (Foto Kredit: Rick Guidice / NASA)
Stanford Torus
en Stanford torus, ett munkformat rör 430 fot tjockt med en diameter som spänner över 1,1 miles, snurrar en gång per minut för att producera sin gravitation. Rörets inre del är öppen, som i filmen Elysium, eller innesluten av ett transparent material för att släppa in ljus.
utsidan av en Stanford torus. En spegel, belägen ovanför torus, leder solljus in i livsmiljöringen. (Fotokredit: Don Davis/NASA)
torus skulle skydda ett liknande antal kolonister som sfären. Horisonter skulle luta sig uppåt, och ringen i det bebodda landskapet som svävar över huvudet skulle få nykomlingar att svimma. Sex ekrar ansluter habitat ring till ett centralt nav där rymdfarkoster kan docka. En massuppskattning: 10 miljoner ton.
det inre av en Stanford torus. (Fotokredit: Don Davis / NASA)
O ’Neill-cylindern
den tredje formen är O’ Neill-cylindern, vars huvudkropp är cirka 5 miles bred och 20 miles lång. Tre remsor av mark skulle sträcka sig längs det inre, med tre lika stora, isär remsor som fungerar som jätte, förseglade fönster.
cylinderns enorma storlek betyder att en mild snurrning av en revolution varje och en halv minut skulle räcka för markbunden gravitation. Ett problem är dock att objekt vill rotera runt sina långa axlar, så ett aktivt styrsystem skulle behövas för att upprätthålla den önskvärda kortaxelhastigheten. O ’ Neill förutsåg också att cylindrarna alltid skulle komma i motroterande par för att kompensera destabiliserande, gyroskopiska effekter som skulle få cylindrarna att avvika från sina avsedda, solvända vinklar.
O ’ Neill cylinder interiör. (Fotokredit: Rick Guidice / NASA)
medan någon av dessa rymdkolonier skulle vara mycket större än mänsklighetens största rymdinfrastrukturprojekt hittills, skulle den internationella rymdstationen, deras design inte utgöra oöverstigliga tekniska utmaningar. ”Ur teknisk synvinkel är strukturen väldigt enkel—ingenjörsberäkningarna är helt giltiga”, säger Anders Sandberg, forskare vid Oxford Universitys Future of Humanity Institute, som har studerat megastrukturkoncept.
Mining månen
den större frågan är logistiken. Rocketing tillräckligt med material i rymden för att bygga en koloni skulle kosta stora pengar. En bättre satsning: etablera enkla tillverkningsanläggningar i rymden utformade för att använda råvaror som bryts från månen eller asteroiderna.
den verkliga kostnadsbespararen O ’ Neill förutsåg skulle installera en stor elektromagnetisk katapult på månen. Populär bland hobbyister som spolpistoler, dessa enheter använder elektromagneter för att driva en magnetiserbar nyttolast ner en axel. Tack vare månens svaga gravitation skulle bara en sjättedel av jordens, kasta gott om material i rymden vara en bit tårta.
”det fina med en elektromagnetisk launcher, när den är konstruerad, är lanseringskostnaderna ganska mycket noll”, säger Stone. ”Du behöver inte tillhandahålla bränsle, bara el, och du får det från solen med solenergi.”
de råa mån-eller asteroidala ingredienserna kan formas molekyl för molekyl, tack vare 3D-tryckteknik, till de flesta komponenter som behövs för kolonin. ”Vi vet från Apollo-prover sammansättningen av månstenar och jord”, säger Stone. ”Det finns massor av syre, som vi behöver för andning; massor av aluminium, som behövs för konstruktionsdelar; det finns kisel, för fönstren; och magnesium och titan och andra användbara saker.”
andra viktiga strukturella föremål skulle inkludera solpaneler för energi och speglar för att vinkla reflekterat solljus i livsmiljöhöljen genom sina fönster. Robotar kan hantera mycket av själva konstruktionen, styrd av människor eller arbeta autonomt. Jord och andra Jordspecifika föremål, som vilda djur, skulle med vissa svårigheter behöva skickas högt.
kolonier byggda för att hålla
de färdiga kolonierna skulle bo i Lagrangian-punkten som kallas L5, en ö av stabilitet där gravitationsattraktion från vår planet, månen och solen balanserar ut. Dedikerade jordbruksområden (belägna i ytterligare tori utanför Bernal sphere, eller i O ’ Neill-cylinderns ändkåpor, med optimerade miljökontroller) skulle hålla kolonisterna väl matade med färsk mat. Handel med andra kolonier och jord skulle leverera alla otillgängliga varor.
för att skydda kolonierna från meteoritpåverkan kan kvarvarande slagg från tillverkning byggas upp som vaddering på kolonins yttre. I allmänhet säger experterna att meteoriter bör vara en hanterbar olägenhet.
”en meteorit med tillräcklig kinetisk hastighet för att bryta en fönsterpanel kan hända vart tredje år”, säger Stone, baserat på studier av frågan. Fönstren skulle vara gjorda av många små paneler, så man blir krossad då och då, inga problem—det skulle ta århundraden för kolonins luft att läcka ut.
att skydda invånare från skadlig rymdstrålning är dock svårare. Kosmiska strålar från rymden kunde inte rimligen stoppas om människor levde utanför skyddet av vår planets atmosfär. Rymdboende skulle ha något förhöjda cancerrisker, mildrande av frekventa screenings, säger Stone.
När det gäller strålning från solen skulle flera tum vattenskydd blockera det mesta. Under sällan intensiva solfläckar kunde kolonister söka tillflykt i tjockt skyddade”stormskydd” —inte till skillnad från försiktighetsåtgärder för stora väderhändelser här på jorden.
en fördel: rymdkolonier skulle vara immun mot jordiska naturkatastrofer. ”I kolonierna skulle det inte finnas några jordbävningar, inga orkaner, inga tsunamier, inga vulkaner”, säger Stone. ”Dessutom kontrollerar du ganska mycket vädret i en O’ Neill-cylinder. Eftersom det är så stort, skulle du ha naturliga regnmoln som bildas där inne.”
den nivån av kontroll—och chansen att trivas i den sista gränsen-borde motivera mänskligheten att lämna vårt planetariska hem. Som O ’Neill skrev i Physics Today 1974:” jag tror att vi nu har nått den punkt där vi, om vi så väljer, kan bygga nya livsmiljöer som är mycket mer bekväma, produktiva och attraktiva än de flesta av jorden.”