¿Cuál es la forma más lógica para mi ciudad en el espacio (estación espacial)?

La forma de tubo será tu mejor apuesta.

Las estaciones espaciales son costosas de producir, por lo que habrá una fuerte preferencia por elegir formas que sean eficientes para lograr sus objetivos.

Uno de los objetivos de una estación espacial es la gravedad. La mayoría de los libros de ciencia ficción eligen tener una fuente de fuerza similar a la gravedad porque hay demasiada evidencia de que los humanos no se las arreglan bien sin ella. Salvo los motores de gravedad ficticios, la aceleración centrípeta es la respuesta más fácil.

La aceleración centrípeta tiene un defecto interesante. Como se discutió en Rendevouz con Rama , cualquier rotación también provoca el molesto primo de la aceleración centrípeta, el efecto Coriolis. Los cerebros humanos parecen tener problemas con esto (aunque hay poca investigación sobre cómo lo manejaríamos si creciéramos en una estación). La solución siempre es mantener la velocidad angular lenta, para minimizar Coriolis. Esto significa grandes radios para obtener la "gravedad" que desea.

Para las estaciones más pequeñas de este tipo, los anillos son populares. Es común querer tener mucho espacio en una fuerza G común, por lo que gran parte de su estación debe estar en un radio desde el centro de rotación. Esto minimiza los materiales por volumen a 1G. A menudo, esto se apoya con "ascensores" que pasan por el centro de rotación para cortocircuitar la larga distancia a lo largo del anillo.

A medida que la estación se hace más grande y el tránsito se vuelve más un problema, existe el deseo de expandirse en una segunda dirección. El anillo se ensancha, convirtiéndose en una elipse girada en lugar de un círculo girado, pareciéndose más a la correa de un reloj de pulsera. Esta transición de "maximizar el volumen del espacio a 1G" a "equilibrar el volumen del espacio a 1G con la distancia entre los puntos de la ciudad" separa los anillos simples de estos anillos ensanchados.

En algún momento, el anillo se vuelve tan ancho que toma otra forma: el tubo cilíndrico. Un anillo tiene que mantener materiales de grado de presión en todos los lados. Al principio, esto es eficiente, pero cuando el anillo se vuelve lo suficientemente ancho, comienza a parecer que hay material adicional que arrojar. La estación comienza a parecerse a {pared} espacio de presión {pared} vacío en el eje central {pared} espacio de presión {pared}. De hecho, comienza a parecerse a un cilindro, pero sin tapas en los extremos y paredes dobles en el resto. Si cubre las tapas de los extremos y presuriza toda el área, puede deshacerse de la mitad de las paredes. Si el anillo es ancho, esto puede ser una gran ayuda.

El Rama de Arthur C. Clarke tenía esta forma y tamaño. Tenía 54 km de largo y 20 km de diámetro, que giraba con un período de 4 minutos por rotación. Tiene un tamaño razonable para una nave espacial de ciudad.

De estas formas, la que notoriamente falta es la esfera. Esto se debe al deseo de tener una "gravedad" constante sobre grandes áreas. Las esferas son excelentes en relación material a volumen, pero tienen un radio que varía constantemente a medida que uno cambia de "latitud", lo que podría ser indeseable. Sin embargo, si uno se siente cómodo con diferentes gravedades como esa, la esfera es la forma más eficiente que puede tener.

Toroidal.

Ten paciencia conmigo aquí. Esto va a requerir alguna explicación, pero tal vez pueda explicarme yo mismo.

Shokhet y Cort Ammon resolvieron el problema de asegurarse de que la estación gira correctamente. Un cilindro es probablemente la solución más sencilla a ese problema, porque es fácil de construir y mantener. Sin embargo, el problema es que pronto se vuelve difícil pasar de un extremo al otro. Como mencionaste, Cort Ammon,

A medida que la estación se hace más grande, y el tránsito se vuelve más un problema[.]

Esto va a ser un gran problema si quieres hacer una ciudad. Podría hacer una estación en forma de disco (para salvar el aspecto de rotación y, por lo tanto, la gravedad, al tiempo que facilita el traslado de un lugar a otro), pero esto aún requiere que la estación sea grande. Se verá como un panqueque gigante. Eventualmente, querrás extruirlo en un cilindro.

Mi solución (independiente de la sugerencia de Shokhet e implementada de manera completamente diferente) es crear una estación espacial toroidal. Esto esencialmente toma los cilindros de Skohet y Cort Ammon y los dobla para que los extremos se unan. ¡Voila! Puedes moverte fácilmente. La razón por la que las estaciones espaciales toroidales son tan populares, como dijo Shokhet, es que puedes rotarlas a lo largo de un eje que pasa por el centro abierto del toroide. Mi idea es un poco diferente.

La sección transversal de un toro es un círculo. Puede formar un toro muy fácilmente graficando un círculo en el plano cartesiano y girándolo sobre alguna línea (puede calcular sus propiedades usando cálculo). Sin embargo, el punto es que puedes dividir un toroide en una serie de círculos. Esto puede ser aprovechado para generar gravedad artificial. En lugar de rotar toda la estación espacial a lo largo de un eje, rotaría muchos segmentos circulares más pequeños a lo largo de un eje que pasara por el centro de cada segmento. Esto crearía gravedad artificial a lo largo de todos los lados del toroide. Girar un toro alrededor de su centro no crearía este efecto, porque la "parte superior" y la "parte inferior" no se verían afectadas. La ventaja de este diseño es que crea gravedad artificial a lo largo de todopartes de la superficie, ¡lo cual es necesario para que todos quepan en una estación espacial del tamaño de una ciudad!

La idea tiene sus pros y sus contras, por supuesto.

Ventajas:

• Gravedad artificial donde quieras. Realmente estoy presionando este punto, pero hay otra ventaja: podría rotar cada segmento a un ritmo diferente, proporcionando diferentes gravedades (o ninguna gravedad en absoluto). Piense en lo útil que sería esto para una estación espacial que contenga muchas razas alienígenas diferentes. Cada uno está acostumbrado a un planeta con un campo gravitatorio diferente. Si tienes una estación espacial con una fuerza de gravedad artificial, la mayoría estaría descontenta. Aquí, esto está arreglado. Nota: Podría dividir una estación cilíndrica con la misma facilidad.
• Puedes llegar a casi cualquier lugar con bastante facilidad. Parte de mi motivación para esta configuración fue que no se puede pasar fácilmente de un punto de un extremo de una estación espacial cilíndrica a otro. Por supuesto, esto podría resolverse mediante la planificación, es decir, diseñando la estación de manera que las personas de un extremo no necesiten ir al otro. Pero probablemente sea mejor hacer que todas las áreas sean igualmente accesibles. En esta estación, todo lo que tienes que hacer para ir de un punto a otro es simplemente viajar por el centro de cada segmento. También podría cerrar la brecha central creando "puentes" de cada segmento a otro.
• es compacto Digamos que quieres hacer una estación espacial cilíndrica que tenga una superficie de 10 millas cúbicas. También desea un radio de media milla, para facilitar la creación de la gravedad artificial que desea. La fórmula para el área de la superficie de un cilindro es$V=2 \pi r^2 + 2 \pi r h$; algo de álgebra nos deja con$h=\frac{10 - 0.5 \pi}{2 \pi (0.5)}= 2.68$millas Eso es bastante largo. Un toro con la misma área es un poco más corto. La fórmula para el área de la superficie de un toro es$4 \pi ^2 (Rr)$, dónde$R$es el radio de un círculo cuya circunferencia equivale a la altura de un cilindro y$r$es el radio de una sección transversal circular. Esto se explica mejor en este gráfico:

$R$es el radio del círculo rosa;$r$es el radio del círculo rojo. Establecimos$r$a 5 y encontrar

Contras:

• No es fácil de construir. Es difícil construir un círculo o un cilindro debido a sus lados curvos. Esto es aún más difícil en el caso de un toro, porque tiene muchos lados curvos. Es muy irregular. Su mejor apuesta sería construirlo en los segmentos que se utilizarán para generar gravedad artificial.

Francamente, creo que las ventajas superan a las desventajas aquí.

Permítame terminar abordando algunas de las cosas específicas que mencionó en su pregunta.

¿Depende de lo que está en órbita arriba (si es que hay algo)?

Desde el punto de vista logístico, la respuesta es sí. Es necesario reabastecer cualquier estación que no sea autosuficiente. Sin embargo, esto es simplemente un problema para todas las ideas propuestas, no solo para esta. Y se puede evitar haciendo que la estación sea completamente autosuficiente. Estoy siendo vago aquí a propósito, porque hay muchos factores que intervienen en la solución de este problema.

En su respuesta, considere los factores que intervienen tanto en su construcción como en su mantenimiento. Si uno es más costoso de construir pero menos costoso de mantener, entonces es posible que al final sea aún mejor.

No creo que haya un gran cambio en el gasto entre las diferentes ideas. Necesitas tener$X$dólares/pesos/libras/yenes/euros para mantener una estación de una determinada superficie. Desafortunadamente, todas estas estaciones que tienen gravedad artificial deben tener la misma superficie, por lo que esto no va a cambiar.

Peteris dijo recientemente

Umm, ¿cómo propones rotar secciones de un toro? Un toro no puede estar hecho de segmentos cilíndricos sin espacios o superposición; en un toroide, la parte "interior" de cada sección es más estrecha que la exterior y no puede rotar a lo largo del círculo rojo en su dibujo.

Me olvidé por completo de explicar esta parte. Mi estación espacial "toroidal" no sería un toroide perfecto. Como dije, estaría hecho de segmentos. Sin embargo, no expliqué que los segmentos estarían más cerca de los cilindros que de las rebanadas de un toro. Piensa en pequeñas piezas cilíndricas conectadas por cuñas. Cada pieza gira, creando gravedad artificial. El toroide no es perfecto; es una aproximación.

¿Por qué elegiría un anillo (o toroide) sobre un tubo (o cilindro)? Primero, elegirías cualquiera de las otras formas porque giran. Si no estás girando, no tiene sentido ninguna de las dos formas. Por eso la Estación Espacial Internacional (ISS) no es ni tubo ni anillo. Es solo un montón de módulos pegados. Está un poco más cerca de la forma de un tubo, pero en realidad tiene la forma de una serie de edificios conectados por túneles. Entonces, la razón principal para elegir un anillo o un tubo es porque puedes hacerlos girar.

El Deep Space 9 ficticio (DS9) tiene los mismos problemas como ejemplo que la ISS. Se parece un poco a un anillo, pero en realidad no lo es. La gente vive en el centro de DS9, no en los bordes. Esto se debe a que DS9 no tiene que girar para generar gravedad. Tiene gravedad artificial que funciona de una manera desconocida para nuestra física. Si construimos hábitats espaciales en forma de anillo, es poco probable que se parezcan a DS9. Tendrán más en los bordes y menos en el medio.

La principal ventaja de un anillo es que puede ser más pequeño que un tubo para el mismo radio. Desea maximizar el radio porque la gravedad es generada por la ilusión de la fuerza centrífuga , que es la fuerza que se aleja del centro del giro. En realidad, se trata de una fuerza ficticia, ya que las fuerzas reales son inerciales (en la dirección del giro) y centrípetas (desde el suelo que impiden que sigas la fuerza de inercia). Aumentar el radio reduce los efectos secundarios del giro (por ejemplo, el efecto Coriolis). Para un radio pequeño, estás cambiando constantemente de dirección. Un radio más grande hace que el cambio de dirección sea más gradual.

Es más fácil hacer un anillo que use menos atmósfera. Puedes hacer un tubo con otro tubo dentro, pero por un gasto similar de material, podrías hacer un anillo de radio más grande. Los anillos generalmente se muestran con un centro que es hueco o contiene radios. Podrías hacer un disco en lugar de un anillo, pero eso tendría mucha atmósfera sin usar en el medio. Podemos adivinar que los anillos son más baratos en la atmósfera, mientras que los cilindros son más baratos en material estructural.

Hay alguna razón para creer que el material estructural es más fácil de obtener en el espacio que en la atmósfera. En particular, podemos extraer material estructural del cinturón de asteroides, mientras que tendríamos que extraer atmósfera de cometas, lunas o planetas. Después de la Tierra, Venus es el planeta más cercano. Todo lo demás está en la órbita de Júpiter o más lejos. Los cometas pueden acercarse, pero son pequeños y se mueven relativamente rápido. Así que gastaríamos mucha energía para igualar las velocidades. Los anillos de Saturno pueden ser la mejor fuente, pero están muy lejos y todavía en parte en el pozo de gravedad.

El anillo proporciona más estructura. Tenga en cuenta que el giro afectará más a los objetos que están unidos al "suelo" o al piso, luego a los objetos que descansan en el piso, y afectará menos cosas como la atmósfera. El resultado obvio sería que el lado de un edificio que mira hacia el giro tendría una atmósfera más espesa que los lados o la parte de sotavento. ¿Cuánto de un problema será eso? ¿Qué tipo de efectos secundarios climáticos ocurrirían?

Sería más fácil hacer funcionar un ascensor de un punto a otro en un anillo, ya que allí ya hay una estructura (los radios del anillo). Sería más difícil con un cilindro, ya que tendrías que crear la estructura para el ascensor. Sin embargo, los cilindros son más compactos, por lo que podría ser más fácil correr una pista más corta a lo largo del borde de un cilindro que correr por el medio de un anillo. También podrías volar en un cilindro.

Un anillo probablemente se vería obligado a usar luz artificial. Los anillos tienen demasiada estructura para funcionar bien con las ventanas. Se puede construir un cilindro de manera que las ventanas dejen pasar la luz regularmente. Desafortunadamente, su velocidad de rotación no admite un ciclo de día/noche, por lo que no está claro si haríamos esto. Podríamos dar un ciclo nocturno "cerrando" las ventanas. Esto es una ventaja de los cilindros o irrelevante. Quizás ambos usen iluminación artificial.

La verdad es que no sabemos si preferimos un anillo a un cilindro. Desafortunadamente, nunca hemos tenido los recursos para probar ninguno de ellos. Nuestra Estación Espacial Internacional actual no tiene gravedad artificial. No tenemos una comprensión real de cuándo la simplicidad del anillo más ancho del cilindro supera la ventaja de la disminución de los efectos secundarios de un radio mayor. No tenemos experiencia de cómo afectaría ninguno de los dos a los efectos atmosféricos.

Nuestra mejor suposición es que comenzaríamos con anillos, ya que son más fáciles de construir para una capacidad más pequeña. A medida que aumentaran nuestras necesidades, cambiaríamos a cilindros, ya que es más fácil moverse de un punto a otro sobre ellos. Entonces, para algo lo suficientemente grande como para ser una ciudad, es más probable que sea cilíndrico. Pero eso sigue siendo especulación en este punto, ya que no tenemos experiencia con ninguno de los dos.

Sugeriría que las ciudades en forma de tubo serían la mejor configuración para una ciudad, porque sería mucho más fácil viajar y transportar materiales por la ciudad si todo lo que tuviera que configurar fuera una serie de ascensores que suban y bajen. , en lugar de carros en una pista extraña que viajan alrededor de su anillo.

Una nota sobre la creación de ciudades flotantes:
la mayor parte de la ciencia ficción que he leído asume que una forma de toro (en forma de anillo, no en forma de Tauro ) es el mejor arreglo para las ciudades en el espacio, porque girarlas alrededor de su centro puede proporcionar un sentido de la gravedad a través de la fuerza centrípeta ; básicamente, a medida que la estructura gira, los habitantes se presionan contra el lado interior de la pared exterior para imitar la gravedad. Esto también es posible con una estructura en forma de tubo.
Pero si quieres gravedad, asegúrate de que gire .

TL; DR: Ninguno. Lo más fácil sería poblar un asteroide, una luna pequeña, un pseudoplaneta o un cometa.

Explicación más larga: las estaciones espaciales (del futuro a distancia desconocida) serán grandes . Y eso significa que necesitamos recursos. Y desperdiciarlos no es una opción. No podemos darnos el lujo de perderlos en nuestro planeta de origen. Y los recursos necesarios se reducen al lugar donde se construye la estación.

Espacio construido

Eso significa que tendríamos que viajar largas distancias para conseguir los materiales necesarios y llevarlos a nuestra fábrica o que tendríamos que traerlos de un planeta. En ambos escenarios, perdemos mucho tiempo y desperdiciamos muchos recursos solo para transportar semiacabados y piezas.

Construido en la superficie

No importa en qué superficie lo construyamos, necesitamos ponerlo todo en alguna órbita o en algún lugar donde permanezca (relativamente). Nuevamente estamos desperdiciando recursos. Tal vez incluso más, ya que la estructura probablemente necesitaría levitar y elevarse hasta su posición.

Poblando asteroides

Dependiendo de los materiales de construcción, podemos encontrar muchos de los recursos necesarios en el lugar. También tenemos una capa exterior acabada. Y dependiendo de la masa podríamos rotarlo fácilmente. También vienen en varios tamaños y se pueden perforar anillos y tubos, sellando las paredes con concreto fluido (o un material similar mezclado con la grava que ya está en el lugar) se puede hacer rápidamente. Más o menos como construimos túneles a través de las montañas hoy en día. Ah, y es fácilmente intercambiable como nos mostró la naturaleza.

Hay un documento interesante para una pequeña ciudad-estación espacial llamada Asten en la página de inicio de la NASA. Si bien no entiendo lo suficiente como para seguir todos los Detalles, suena razonable y se refiere no solo a la Cuestión de construcción (Forma/Materiales/etc.) sino también a cosas como infraestructura y suministros para la Población.

Como no puedo resumir de manera confiable las 93 páginas, aquí hay un enlace:

http://www.nss.org/settlement/nasa/Contest/Results/2009/ASTEN.pdf

Solo por la forma de la estación espacial sugieren un cilindro construido a partir de anillos individuales.

Creo que todo se reduce a la gravedad artificial .

Se puede configurar un toro para que gire a la velocidad adecuada, en cuyo caso tendría una fuerza centrífuga empujando hacia afuera y produciendo una gravedad falsa hacia el exterior del anillo. La estación espacial de 2001 hace esto.

En el caso del cilindro , si la ciudad está en tránsito hacia otro sistema, podría acelerar a una velocidad constante de 1G (~10 m/s/s) y luego habría una gravedad artificial hacia la parte trasera de la embarcación. En este caso, los pisos podrían apilarse transversalmente a la dirección del viaje. Este tipo de embarcación aceleraría hacia su destino y luego, en el punto medio, realizaría una maniobra para dar la vuelta y luego desaceleraría a la misma velocidad constante hasta llegar a su destino. Tal nave podría pasar varias generaciones en el espacio.

En mi opinión, esos son los dos escenarios más realistas.

Alternativamente, una embarcación en tránsito también podría configurarse para girar y podría tener pisos dentro diseñados para tener una inclinación que coincida con las fuerzas equilibradas en algún lugar entre las fuerzas centrífugas y las fuerzas de aceleración.

Tenga en cuenta que la estación DS9 que se muestra arriba no hace ninguno de estos y se basa en otros dispositivos ficticios de generación de gravedad. AFAIK, no hay una forma conocida de generar tal gravedad.