¿Cuál es el cuerpo natural más grande que podría ahuecarse y habitarse de manera segura?

Algunas propuestas para vivir en el espacio prevén encontrar un asteroide que sea un trozo sólido de algo (p. ej., Níquel Hierro), vaciarlo, colocar una esclusa de aire y tener un hogar. Agregue una unidad y tendrá una nave espacial. Por supuesto, la realidad es un poco más compleja, pero la idea tiene mérito.

Dejando a un lado las fuerzas de giro y empuje (demasiadas variables para una pregunta simple), ¿cuál es el cuerpo espacial natural más grande que conocemos o podemos hipotetizar razonablemente sobre la existencia que podría ahuecarse, llenarse de aire en un rango cómodo para los humanos? , y vivía en?

Es bastante fácil obtener imágenes de un asteroide que es esencialmente el núcleo de hierro de un planeta, por lo que es razonable suponer que podría ser una opción. Además, un planetoide del tamaño de nuestra luna o cerca de él podría tener un núcleo que se enfrió lo suficiente como para hacer un túnel hasta el centro y crear un hueco. Nuestra Luna, que está en órbita alrededor de la Tierra, tiene un estrés de marea significativo (probablemente manteniendo caliente el núcleo), por lo que no sería un candidato. Aunque un cuerpo idéntico en una órbita solar, o una trayectoria interestelar, podría ser un candidato.

Editar para aclarar el alcanceEstaba pensando, con un planetoide en un pozo de gravedad significativo (como la luna o la tierra), toda la masa quedaría en el cuerpo. Con un cuerpo pequeño, los materiales "extraídos" probablemente serían vendidos o expulsados. Algunos materiales del cuerpo o de una fuente externa se usarían para sellar y sostener. Para esta pregunta, defino que hueco permite esencialmente una vista obstruida del interior, como sería el caso de una Esfera Dyson. Los soportes cruzados serían prácticos en un cuerpo pequeño de unos pocos cientos de metros (aunque violarían la definición de hueco tal como se usa aquí). Para un hueco medido en cientos de kilómetros, los tirantes cruzados no serían prácticos por la misma razón que lo es un ascensor espacial; no existen medios razonables de expansión con la fuerza suficiente, sin que resulte en panales o túneles.

Realmente no veo por qué hay un límite superior en esto. La Tierra podría estar ahuecada. Una Esfera Dyson es básicamente lo mismo...
@PearsonArtPhoto Estaba pensando en que (dado un núcleo fresco) esencialmente tendría un centro de gravedad cero, pero parece que si dejara el núcleo natural, tendería a colapsar como un pozo de mina sin soportes de techo. Una Esfera Dyson asume material personalizado para el estrés. Además, es poco probable que un cuerpo que era demasiado pequeño, digamos un asteroide que era una reunión natural de piezas más pequeñas, se haya formado con la fuerza suficiente para mantenerse unido con cualquier fuerza interna externa.
La definición de "hueco" puede ampliarse para incluir soportes e incluso dejar intacto un núcleo interno. Especifique con mayor precisión qué se entiende por "hueco": hay muy pocos ingenieros civiles que rechazarían una invitación para experimentar con una financiación ilimitada.
Una cosa que debemos tener en cuenta es que cuando ahuecas un cuerpo celeste, también eliminas la mayor parte de su masa, lo que significa que las fuerzas gravitatorias en la capa exterior serán mucho más pequeñas. Realmente no responde la pregunta, pero pensé que podría faltar en el "panorama general" para imaginarlo realmente. Y tampoco podemos suponer de qué materiales estaría hecha la capa exterior (grosor requerido, su resistencia a la tracción,...), por lo que cualquier cálculo será, en el mejor de los casos, argumentativo. :|
Mmm. 16 Psyche en.wikipedia.org/wiki/16_Psyche es el asteroide de tipo m más masivo. Tal vez podría ahuecarse a través de algún tipo de proceso de fusión dejando solo una capa delgada, luego girar para generar gravedad artificial. Me pregunto cuál sería el gradiente de gravedad de la cabeza a los pies, suponiendo, por ejemplo, 0,9 - 1 G en los pies. También me pregunto si sería fácil hacerlo hermético, especialmente suponiendo que esté ahuecado por fusión.
@TildalWave Depende de cómo lo ahueques. 1) Perfore un eje en el centro de un asteroide y ahueque el núcleo. 2) llenar el núcleo con volátiles congelados. 3) llenar el eje con el material extraído al perforarlo, creando un sello sólido entre el asteroide y el material de reemplazo a lo largo de toda su longitud. 4) Calentar simétricamente el asteroide hasta su punto de fusión, comenzando en la superficie y continuando hasta que la zona de fusión alcance los volátiles del núcleo, lo que hace que se expanda como un globo. - Una vez que la cáscara se vuelve a solidificar, tienes una burbuja hueca con una masa similar a la original.
@TildalWave No puedo reclamar originalidad; Robé la idea de la serie Troy Rising de John Ringo (y él la robó de otro lado...). Me ocuparé de escribirlo con más detalle más tarde esta noche.
@DanNeely Pensé que la mayoría de los asteroides cercanos estaban bastante desprovistos de volátiles. Puedo conseguirle una referencia para esto, pero un documento que recuerdo argumentaba que el agua líquida y el hielo durarían en el interior de un asteroide de 100 km de escala durante unas decenas de millones de años. Estamos mucho más allá de eso, así que me pregunto si puedes encontrar volátiles congelados para hervir... a menos que pases por Júpiter.
@AlanSE Sí, los volátiles deberían traerse de otro lugar; pero si tienes el presupuesto de energía para derretir un gran asteroide, también puedes capturar un cometa en el mío.
Una opción para ahuecarlo: elige un cuerpo con una gran cantidad de agua, lo suficientemente lejos del Sol (como Europa). Perfore a través de los pocos kilómetros de hielo y bombee el agua líquida desde el medio.
@SF. ¿Tendría el hielo suficiente fuerza para hacer que esto funcione? ¿Esperaría que el centro fuera agua o piedra/sólidos?
@JamesJenkins: ¡No lo sé!
Me gustaría darle la vuelta a esta pregunta: volumen mínimo que un cuerpo natural tendría que encerrar para proporcionar espacio de vida/trabajo para una tripulación de, digamos, 5, sin dejar de ser propulsable y proporcionar una protección contra la radiación equivalente a la atmósfera de la Tierra.
@Todos necesitarían más detalles sobre los requisitos de espacio para vivir/trabajar. Además de los criterios de soporte vital y los requisitos físicos y mentales durante un período específico.

Respuestas (2)

cuevas

Cualquier cuerpo grande donde pueda sobrevivir en la superficie para empezar puede usarse para cuevas, artificiales o naturales. Esta observación no está fuera de tema porque preguntas sobre cómo mantener la presión atmosférica. Las cuevas lunares pueden contener 1 atmósfera de presión a unos 60 metros por debajo de la superficie sin tensiones en la roca circundante. Estoy usando matemáticas muy simples aquí. Si supone una densidad de 1 g/cm 3 , se necesitan 10 metros de columna de agua para obtener 1 atmósfera de presión. La luna tiene 1/6 de la gravedad de la Tierra. QED.

Esto es posible en muchos cuerpos. Es posible en Ceres, Vesta, incluso. Pero a medida que disminuimos la masa del cuerpo, la cueva tiene que hacerse más profunda para mantener 1 atmósfera de presión. La gravedad en la sala de estar también disminuye (obviamente, porque es un cuerpo más pequeño). Entonces, solo hay un conjunto limitado para el cual esto tendría sentido. Además, para empezar, muchos cuerpos tienen una atmósfera, por lo que las cuevas son suplementarias o inútiles allí.

Uno de los lugares más atractivos para las cuevas es Mercurio. Esto lo argumenta muy bien Jim Shifflett . No lo digo en el sentido de que una colonia de Mercurio sería preferible a Marte o la Luna (aunque aparentemente hay desacuerdo al respecto), pero sí quiero decir que las cuevas son la única forma de establecer bases en Mercurio.

Cuevas del Centro

Volvamos a la idea de Ceres. Su presión central es algo así como 200 atmósferas terrestres. La gravedad aumenta aproximadamente linealmente con el radio, por lo que sus cuevas serían aproximadamente 1/400 del radio del planeta enano debajo de la superficie. También podrías estar nadando, pero ese es un tema aparte. ¿Qué sucede cuando el objeto es tan pequeño que la cueva tendría que terminar en el centro?

Bueno, para empezar, tendrías gravedad cero. De acuerdo con el teorema de la cáscara, la gravedad se cancelaría perfectamente debido a la propia roca del asteroide. Hay un tamaño particular en el que el centro está naturalmente exactamente a 1 atmósfera terrestre. Esto te sitúa en un asteroide de un diámetro de unos 20 km. Muchos objetos de este tamaño están bien catalogados y sabemos bastante sobre ellos. Gaspra es un ejemplo. Tampoco es redondo. Ahora, sobre ese tema...

Hay espacio para el debate sobre si el requisito de que no haya fuerzas estructurales es razonable. Este es el tema de la diferenciación planetaria . Muchos asteroides son rocas, forjadas en el interior de un cuerpo más grande, y solo se separaron por colisiones. Eso significa que podrían haberse formado de materiales fundidos bajo mucha presión, formando un cuerpo bastante cohesivo. Esto es bastante común. En general, se cree que el límite para la diferenciación está muy por encima del punto de 20 km de diámetro y probablemente más cerca del rango de las centenas de km. Esto lo sabemos por los estudios de las lunas. Tenemos relativamente menos información sobre asteroides libres porque históricamente las lunas han sido un tipo de objeto más obvio para estudiar, y sus tamaños se desplazan más hacia tamaños más grandes.

Entonces, para resumir esta diatriba, permítanme establecer esto:

P: ¿Podrías vaciar el centro de un asteroide de 20 km de tamaño y llenarlo de gas?

R: Se filtraría, pero si evitara que se filtrara, las leyes de la física nos dirán definitivamente "sí".

P: ¿Podría vaciar el centro de un asteroide de 20 km de tamaño y exponerlo al vacío del espacio?

R: Podría colapsar sobre sí mismo, pero no lo sabemos con certeza. Se encuentra cerca del límite de la resistencia material requerida. También dependería del tamaño de la cavidad que talles.

También hay algunos argumentos obvios de escala que siguen. Por ejemplo, ¿podría ahuecar el centro de un asteroide de 1 km y exponerlo al espacio sin colapsar? Por supuesto. Tenemos bastantes probabilidades de que eso funcione, porque eso solo es luchar contra su propia gravedad. El hecho de que los objetos mucho más grandes no estén diferenciados significa que las estructuras de forma extraña de escala de kilómetros pueden resistir su propia gravedad. Pero "puede" es diferente de "voluntad". Para eso necesitas a los ingenieros civiles.

Globos de gravedad

Así que pongámonos ridículos. ¿Qué pasa si tomo un objeto de 20 km de tamaño, empiezo a vaciar el centro, llenándolo con una bolsa de aire sellada... y sigo adelante? ¿Qué tan grande podría llegar antes de que se derrumbe en un gran desastre? Bueno, no hay límite, per se.

Tienes el problema de la diferenciación natural, que va en tu contra. Quiere hacer subir su burbuja de aire, poniendo baja densidad (aire) en el exterior y alta densidad (roca) en el medio. Pero, para empezar, no está diferenciado, así que eso no va a suceder muy fácilmente. Supongamos que ha vaciado una burbuja de aire de casi 20 km de diámetro en el centro. Ahora has movido casi toda la roca, rompiéndola en pequeños pedazos. Bueno, los estudios de asteroides han establecido ángulos de caída del orden del 7% al 14% de subida a carrera, lo mismo para montones de arena en la Tierra (no es sorprendente). Podrías evitar ángulos pronunciados mientras reorganizas las rocas, aunque la idea de una falla dinámica sigue siendo aterradora. entonces es posibleque podría acorralar material para contener un gran volumen de aire, todo sin fuerza material.

Existe el detalle de que la presión soportada naturalmente cambia con el tamaño de la burbuja de aire. Pero esto sigue una matemática muy predecible, que es trivial de resolver. El único límite real es cuando el volumen de aire se vuelve tan asombrosamente masivo que la gravedad del aire mismo limita el rango habitable. Alguien escribió un libro de ciencia ficción sobre esto exactamente.

http://www.kschroeder.com/my-books/sun-of-suns

Ahora bien, hay dos grandes fallas en la visión que pintó este autor.

  1. Pensó que el sobre tenía que estar hecho de nanotubos de carbono. Esto es ridículo. Podrías hacerlo a partir de una lámina de roca de 10 km de espesor. Tienes problemas de estabilidad, pero qué te importa si puedes hacer nanotubos de carbono de todos modos...
  2. Los hábitats de gravedad artificial giran en el espacio libre. Esto crea fuerzas de arrastre imposibles. Escribí sobre una forma razonable de hacerlo en un blog .

Todo esto es un pensamiento muy fantasioso. Para empezar, solo hay 2 objetos en todo el sistema solar interior que podrían contener aire respirable en su centro: Eros y Phobos. E incluso eso sería una atmósfera delgada y rica en oxígeno (como Skylab).

Puede ser que producir aire respirable en primer lugar sea un desafío mayor. Los asteroides cercanos a la Tierra son demasiado pequeños para el loco esquema que describí. Pero también pueden carecer de suficiente hidrógeno y nitrógeno. Para empezar, obtener los materiales para la vida requeriría infraestructura. Si necesita un lugar para estacionar esos gases que produce, no debería ser demasiado difícil en el sentido cósmico.

Vuelvo a la pregunta:

¿Cuál es el cuerpo espacial natural más grande que conocemos o podemos hipotetizar razonablemente sobre la existencia que podría ahuecarse, llenarse de aire a un rango cómodo para los humanos y vivir en él?

El problema es que los cuerpos grandes tienen una presión central demasiado alta para los humanos. Si su límite es de aproximadamente 3 atmósferas terrestres (un límite biológico razonable), el cuerpo más grande sería algo así como 132 Aethra , un cuerpo sin pretensiones en el borde interior del cinturón de asteroides. Sin embargo, si hiciera la burbuja de aire central lo suficientemente grande, esa presión caería.

Gran respuesta, ¡creo que acabas de guardar la pregunta con ella! Mientras lo leía, pensé en otro obstáculo: ¿qué tamaño de masa de "aire respirable" puede existir, antes de que se vuelva demasiado masivo, comience a formar un núcleo y finalmente se convierta en un reactor de fusión masivo (una estrella)?
@TildalWave, el libro de ciencia ficción sobre Virga, exploró la cantidad de aire donde importa la diferencia de presión: las regiones exteriores tienen aire delgado como montañas. Eso todavía no es suficiente para que el aire se contenga (todavía necesita la pared). Algo como la masa de Urano estaría más cerca del límite para una masa de aire unida de manera estable. Para lograr la fusión se necesitan muchos órdenes de magnitud más que eso. Incluso el globo de gravedad razonable más grande tendría una masa 10 ^ 10 veces demasiado pequeña.
Fantástica respuesta, no puedo imaginar una mejor, pero tampoco podría imaginar una tan buena. Me abstendré de aceptarlo durante unos días para alentar a otros a intentar proporcionar una mejor respuesta.
Cuando respondes, realmente respondes. Me acerqué al comentario sobre H y N en los asteroides, porque estaba tratando de preguntar sobre el lecho rocoso lunar la semana pasada, sobre si es probable que contenga ambos químicos solo en base al conocimiento general de la composición del sistema solar. No pude encontrar ningún material sobre eso, no debo saber cómo buscar. ¿Qué debería estar buscando? (Si puedo imponerte de esta manera.)
Los asteroides @briligg tienen algo así como 0.1% de nitrógeno por su abundancia elemental . Eso significa que para obtener 1 m ^ 3 de aire, deberá procesar aproximadamente 1 m ^ 3 de roca, y eso no me parece razonable. En la Tierra podemos simplemente condensarlo del aire, y la atmósfera de Marte tiene suficiente N2 para que podamos licuarlo. Entonces, las ciudades de asteroides o lunas podrían importar N2 de Marte. Las abundancias de la Luna son similares a las de los asteroides, pero las formas químicas son un tema más complicado que aún podría favorecer la extracción lunar, y no sé lo suficiente al respecto.
Tal vez sea solo una incógnita general, seguiré buscando. Sin embargo, ese es un enlace útil, no se me ocurrió que los datos sobre los elementos podrían incluir dicha información.

Los cuerpos más grandes que podríamos explotar con seguridad ahuecándolos para crear un espacio habitable interior (como un precursor de un cilindro O'Neill), serían un cuerpo cuya gravedad es demasiado débil para diferenciar los materiales y esferizar el cuerpo. Un cuerpo esférico implica que la fuerza material del asteroide es demasiado débil para soportar la masa de material que se encuentra sobre él. En general, todos los cuerpos diferenciados son esféricos, pero ambos criterios son necesarios porque los cuerpos diferenciados pueden romperse (como Vesta) en piezas diferenciadas más pequeñas.

Dicho de otra manera, Plutón y Ceres son ciertamente demasiado grandes.

Vesta y Pallas pueden ser demasiado grandes.

Si desea imponer la restricción adicional de querer hacer girar todo el cuerpo por gravedad artificial, entonces el cuerpo que debe buscar debe ser principalmente metálico (la cerámica/rocas son débiles en tensión).

Lo que esto significa es que deberías buscar el núcleo de planetoides interrumpidos, cuerpos como Vesta pero más pequeños serían ideales. Esta tabla de densidades de asteroides medidas indica que los siguientes asteroides podrían ser candidatos particularmente buenos:

'# Nombre Density Error Notes
4 Vesta 3.44 +/-0.12 Probablemente demasiado grande
20 Massalia 3.26 +/-0.60 145 km de diámetro medio
804 Hispania 4.90 +/-3.90 145 km de diámetro medio, enormes barras de error en la densidad

Comparación visual de los asteroides más grandesComparación de los asteroides más grandes

Jim, el proceso de vaciado (eliminación de materiales del núcleo) en sí mismo cambia drásticamente la distribución de la masa y, dependiendo de dónde coloques esa masa, podría sacar al cuerpo del equilibrio hidrostático.
@TildalWave Cierto, pero recuerde que un cuerpo no esferoidal no está en equilibrio hidrostático de todos modos. Como se mencionó en la primera respuesta, alguien que planee hacer esto en realidad tendría que poner una gran cantidad de ingeniería (equilibrar el peso, la presión del aire y la fuerza de rotación con las resistencias del material) en el proyecto y no solo basarse en un par de párrafos " regla de oro". Pero creo que mi premisa es sólida: los cuerpos esféricos son demasiado grandes, algunos cuerpos no esféricos siguen siendo demasiado grandes.
@TildalWave también uno de los grandes de la ciencia ficción, o tal vez el propio O'Neill propuso perforar un pequeño tubo a través del centro de un asteroide metálico, llenarlo con hielo de agua, soldar los extremos para cerrarlo, girarlo y luego calentarlo con la luz solar reflejada. a 2000+ F. Esto debería hervir el agua, proporcionando presión de inflación, y ablandar el hierro de níquel lo suficiente como para permitir que se expanda. No se requiere tanta excavación de esta manera.
¿Cuál es el cuerpo natural más grande que podría ahuecarse y habitarse de manera segura?
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