Modelos de Design de Habitat Espacial

Vários estudos conceituais fornecem bases para o desenvolvimento de habitats espaciais:

A Alta Fronteira, de O’Neill (1974-76)

Perto do final do Projeto Apollo (1961-72), o físico de Princeton Gerard K. O’Neill e seus alunos descobriram em 1970 que cilindros de habitat espacial feitos de aço e vidro de 5 milhas de diâmetro e 20 milhas de comprimento eram viáveis.

Os alunos de O’Neill em Princeton resolveram questões como proteção contra radiação de raios cósmicos, ângulos naturais do sol, energia, agricultura livre de pragas e controle de atitude orbital sem problemas motores de reação.

As descobertas visionárias da era espacial de O’Neill podem ser encontradas em Physics Today (1974) e The High Frontier: Human Colonies in Space (1976). O’Neill chamou seu trabalho de “ataque ao estabelecimento de publicação acadêmica”.

Os habitats espaciais de O’Neill incluíam áreas simuladas da Terra e de gravidade zero, estufas agrícolas de sistema fechado, estações, cenários variáveis de vida interior-exterior, locais de construção movidos a energia solar, lançadores de pelotas de massa e rotores para transporte e processamento de minerais valiosos na colônia espacial.

A energia solar barata do espaço pode ser microirradiada de volta para a Terra. A Lua e os asteroides produzirão recursos altamente valiosos, como carbono, nitrogênio, hidrogênio e silício. Em última análise, bibliotecas, cinemas, restaurantes, chuva e pássaros se desenvolverão nas colônias espaciais do futuro e um sistema de comércio envolvendo extração, processamento e transporte se desenvolverá entre a Lua, asteroides, outros corpos espaciais próximos e a Terra no século XXI.

Estudo de Verão Ames-Stanford da NASA (1975)

A NASA patrocinou workshops de verão O’Neill em conceitos de design de habitat espacial para 100 a 10 milhões de pessoas. Esses projetos de habitat da era espacial incluíam o Toro de Stanford, a Esfera de Bernal, a Colônia Toroidal e a Colônia Cilíndrica. O’Neill influenciou a NASA a construir satélites de energia solar a partir de materiais lunares, demonstrando que a fabricação orbital a partir de materiais lunares poderia gerar lucros, estimular o desenvolvimento de novos usos para tais instalações, tornar-se autossustentável e, em seguida, construir colônias adicionais. O’Neill e seu colega concluíram que era melhor construir colônias perto de planetas, luas e asteroides do que sobre eles.

Instituto de Estudos Espaciais

Fundado em 1977 por O’Neill, o Instituto de Estudos Espaciais (SSI) se concentrou em estudos de viabilidade de colonização espacial, bem como protótipos de um driver de massa para mover minérios da Lua para órbitas de colônias espaciais.

Conceitos de Habitação Espacial da NASA

Os conceitos da NASA para habitação espacial incluem:

Ilha Um: Um habitat da esfera de Bernal para 10-20.000 pessoas com 900.000 quilômetros quadrados de agricultura planejada.

2. Stanford Torus: Alternativa à Ilha Um.

3. Cilindro de O-Neill: Ilha Três: O cilindro de O’Neill, melhoria nas Ilhas Um e Dois é composto por dois cilindros contra-rotativos de cinco milhas de diâmetro e escaláveis para vinte milhas de comprimento. Cada cilindro tem seis faixas de área igual que percorrem o comprimento do cilindro. Três listras são janelas transparentes. Grandes espelhos articulados na parte de trás de cada faixa de janela. A borda desarticulada das janelas aponta para o Sol para refletir a luz solar em cilindros através das janelas. A noite é simulada abrindo espelhos para permitir a visualização do espaço vazio e permite que o calor irradie para o espaço. Três listras são superfícies habitáveis de “terra”. Um anel agrícola externo de vinte quilômetros de diâmetro gira em uma velocidade diferente para a agricultura. A velocidade angular reduz o enjoo e as forças de Coriolis. O eixo central permite recreação com gravidade zero.

O bloco de fabricação industrial do habitat está no meio para a gravidade minimizada para alguns processos de fabricação. Para economizar altos custos de materiais de foguetes da Terra, habitats seriam construídos com materiais lançados ao espaço a partir da base lunar da Lua com um impulso de massa magnética.

4. Lewis One: cilindro rotativo de 450 milhas de comprimento com raio de 250 milhas mais vários cilindros internos usados para agricultura.

5. Kaplana One: Cilindro curto de 325 milhas de comprimento e um raio de 250 milhas. Cilindros internos utilizados para agricultura. Blindagem contra radiação para 3000 moradores.

6. Bola: Habitat ou espaçonave conectada por cabo a um contrapeso ou habitat. Longo com raio de rotação lento para massa de estação pequena. Projetado para nave de Marte, barraco de construção inicial para um habitat espacial, ou hotel orbital. Pesado escudo de radiação de habitação de longo prazo que requer cabo pesado gira com o habitat.

7. Habitats frisados: Pequenas bolas de habitat único produzidas em massa para interconexão. Eles podem ser agrupados em halteres, depois gravatas-borboleta, anel, contas de cilindro e uma matriz emoldurada de cilindros. Com investimentos ainda incrementais, cada estágio expande a segurança e reduz o custo por pessoa, pois adiciona mais proteção contra radiação e equipamentos de capital. Escudos de radiação rotativos maiores se tornam mais econômicos como raio colonial, população, habitats e radiadores

Conceitos adicionais

Bubbleworld: Dandridge Cole (1964) Conceito Inside-Outside de perfurar um túnel através do maior eixo de asteroide de ferro ou níquel e ferro e preenchê-lo com uma substância volátil como a água. Refletor solar construído nas proximidades para concentrar o calor solar no asteroide para soldar e selar as extremidades do túnel e, em seguida, difundir lentamente o calor pela superfície externa. Os refletores solares requerem uma presença industrial humana significativa para direcionar a energia solar onde for necessário. A água dentro do cilindro se expande e infla a massa à medida que o metal amolece. Cilindro de formas de rotação. A centrifugação produz gravidade artificial e o interior se enche de solo, ar e água. Lago em forma de anel cria um meio ligeiramente abaulamento do cilindro. Baseado nas histórias do autor de ficção científica Larry Niven sobre a colonização do cinturão de asteroides.

2. Asteroid Terrarium: Como o design do Bubbleworld, uma ideia que aparece no romance 2312 do escritor de ficção científica Kim Stanley Robinson.

3. Anel do Bispo: 100 km de largura. Raio de 1000 km com 200 km de altura de retenção alta murada Torus. Nanotube projetado habitat sem telhado aberto para o espaço sideral na borda interna.

4. Cilindro McKendree: Cilindro emparelhado como a Ilha Três, mas muito maior em 460 km de raio e 4600 km de comprimento. Também utiliza nanotubos.

Projetos em andamento

Os projetos e propostas atuais de habitação espacial incluem:

Nautilus X-Multi-Mission Space Exploration Vehicle (MMSEV): A NASA propôs (2011) longa duração até dois [2] anos, veículo de transporte espacial com compartimento de gravidade artificial para seis (6) membros da tripulação. Centrífuga parcial g-torus com estrutura metálica padrão e estrutura inflável da espaçonave.

2. Demonstração da centrífuga da ISS: Parte do projeto de habitat espacial de centrífuga de toro maior do Projeto de Exploração Espacial Multimissão (MMSEV) de 2011. A centrífuga tem 30 pés de diâmetro externo e diâmetro de seção transversal interior do anel de 30 polegadas. Possível módulo de sono para a tripulação da Estação Espacial Internacional. Em 2019, a NASA pretendia abrir novos caminhos com a primeira caminhada espacial totalmente feminina ou, mais precisamente, flutuação espacial, mas a agência ignorou as necessidades de guarda-roupa das astronautas mulheres.

3. Estação Espacial Comercial Bigelow: Anunciada em outubro de 2010 como “Space Complex Alpha” e construída em 2014-15. Os projetos contêm até nove (9) módulos e 100.000 pés cúbicos de espaço habitável. Aqui está uma vista cortada do habitat.

4. A Plataforma Orbital Lunar-Gateway da NASA (2018) está ampliando a presença humana no espaço profundo. Operar remotamente um rover robótico, coletar amostras lunares da superfície da Lua para prospectar recursos, usar fechaduras de ar para completar caminhadas espaciais e realizar pesquisas científicas a bordo do posto avançado são algumas de suas atividades. Os astronautas se envolverão por 30 a 60 dias em refeições diárias, exercícios e avaliações médicas à medida que ganham experiência pressionando a presença humana mais profundamente do que nunca em Marte e no resto do sistema solar. A Lua é a porta de entrada para Marte.

5. A NASA e seus parceiros espaciais comerciais na Next Space Technologies for Exploration Partnerships (NextSTEP) usarão o Gateway para expandir as operações no espaço profundo, incluindo missões à Lua com dependência decrescente da Terra. Essas parcerias público-privadas e privadas desenvolvem rapidamente protótipos de sistemas, avançam capacidades-chave e validam conceitos operacionais para futuras missões além da órbita da Terra.

As empresas participantes do NextSTEP incluem: Bigelow Aerospace, Boeing, Lockheed-Martin, Oribital AK, Sierra Nevada Corporation’s Space Systems e Nano-Racks. O NextSTEP é gerenciado pela Advanced Explorations Systems Division (AES) da NASA na Diretoria de Missão de Exploração e Operações Humanas da NASA.

A NASA começou a testar protótipos de habitação no espaço profundo fornecidos por cinco (5) empresas em 2019. O esforço Next Step Habitation começou em 2015, com as empresas concluindo estudos de conceito de um ano. Esses estudos estabeleceram as bases para o desenvolvimento de protótipos de 2016 a 2018.

Engenheiros, técnicos e operadores de voo de toda a agência e da indústria espacial analisam as capacidades do sistema e fatores humanos, como layout e ergonomia, para otimizar a eficiência e o desempenho. Os projetos de planejamento de cada empresa incluem sistemas de controle ambiental e suporte à vida, aviônicos, dormitórios, equipamentos de ginástica e áreas comuns.

Prototipagem significa projetar, construir, testar e refinar habitats muito antes da versão final de voo ser desenvolvida. Essa engenharia orientada para a operação fornece uma compreensão antecipada do que precisamos para lidar com a missão, reduzindo riscos e custos.

Construtores, operadores e futuros usuários do Gateway trabalham juntos nessa abordagem para avaliar os conceitos mais cedo e de forma mais completa. Isso ajuda a NASA a avançar para a Lua o mais cedo possível.

O Gateway será uma casa temporária e escritório para astronautas mais distantes no espaço do que os humanos já estiveram e servirá como base para expedições de astronautas na superfície da Lua e para futuras missões humanas a Marte. A abordagem NextSTEP fortalece a liderança americana no espaço e ajuda a impulsionar a arquitetura lunar aberta, sustentável e ágil. Agora vamos aos protótipos.

6. O protótipo da Lockheed Martin é baseado em um Módulo de Logística Multiuso (MPLM), projetado para fornecer capacidades logísticas para a Estação Espacial Internacional. O projeto aproveita as capacidades da espaçonave planetária robótica da Lockheed e da cápsula Orion, que transportará astronautas de e para o Gateway. O protótipo inclui um espaço reconfigurável que poderia suportar uma variedade de missões e combina prototipagem de hardware e simulação de software.

6. O protótipo da Northrop Grumman aproveita sua espaçonave Cygnus, que entrega suprimentos para a Estação Espacial Internacional. O Cygnus fez seu voo inaugural em 2013 e já é avaliado como humano. A maquete de habitat da Northrop Grumman se concentra em um ambiente confortável e eficiente e diferentes configurações internas.

7. O Demonstrador de Habitat de Exploração da Boeing, que está sendo testado no Marshall Space Flight Center em Huntsville, Alabama, é um hardware comprovado de herança da estação espacial. Contratada da estação espacial Prime desde 1993, a Boeing desenvolveu vários elementos da estação espacial. O demonstrador da Boeing aproveita os ativos patrimoniais enquanto otimiza o volume interno, juntamente com áreas isoladas com capacidade de usar diferentes atmosferas para cargas úteis sem afetar a atmosfera da cabine.

O habitat Large Inflatable Fabric Environment (LIFE) de Sierra Nevada, que está sendo testado no Centro Espacial Johnson, em Houston, Texas, foi projetado para ser lançado em uma configuração compacta “esvaziada”. Em seguida, infla uma vez no espaço. O benefício dos infláveis, também chamados de expansíveis, é capaz na configuração final de fornecer um espaço de vida muito maior do que as estruturas rígidas tradicionais limitadas em tamanho pelo volume de carga útil do foguete usado para lançá-lo. O LIFE Prototype infla para 27 pés de diâmetro e simula três (3) andares para viver.

Bigelow de North Las Vegas, Nevada, tem um protótipo B330. O B330 possui um módulo expansível que se expande no espaço para fornecer 330 metros cúbicos de área habitável. Bigelow enviou um módulo menor, o Bigelow Expandable Activity Module (BEAM), para a estação espacial em 2015, quando expandiu a estrutura ao vivo na NASA Television para incluir tanques de ar comprimido. O BEAM completou uma demonstração de dois anos a bordo da estação, provando a resiliência de bens suaves ao ambiente espacial hostil. Após o período de demonstração, a NASA estendeu o tempo do BEAM a bordo da estação para que ela funcionasse como uma unidade de armazenamento.

A NanoRacks propôs mais um conceito para otimizar o volume habitável para os astronautas do Gateway, o Independence 1. A ideia é reformar e reaproveitar um tanque propulsor de foguete usado. Isso aproveitará o vácuo natural do espaço para lavar o tanque de propulsores residuais. A NanoRacks concluiu um estudo de viabilidade delineando o conceito e planeja desenvolver protótipos em escala real demonstrando o desenvolvimento de robótica, adaptação e integração de sistemas para converter o tanque para funcionar como um habitat no espaço profundo.

A Diretiva Espacial 1 da NASA será usada para construir todas as espaçonaves elétricas mais eficazes e para projetar habitats espaciais profundos seguros de alta tecnologia de longa duração até a década de 2020 com os parceiros da NASA na Estação Espacial Internacional. O foguete Space Launch System da NASA e a espaçonave Orion estão abrindo as portas para sistemas de propulsão no espaço, extração e utilização de recursos in situ e fabricação espacial.

Para saber mais sobre design de habitat espacial ergonômico, exteriores e interiores, consulte o pioneiro Computer Simulations of Space Societies (2019) do Dr. William Bainbridge, da National Science Foundation.

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