jueves, 4 de junio de 2009

Viviendo en el espacio: Cilindros de McKendree

Cuando Gerald K O’Neill y otros tantos idearon sus habitats espaciales, lo hicieron a una escala que los materiales de aquella epoca permitían.
Incluso así el modelo de Isla 3, o cilindro de O’Neill ya contaría con dimensiones increíbles(3 km radio, 30 km longitud), aun sin llegar a los limites impuestos por los valores de resistencia a la tracción de esos materiales, aleaciones de acero, níquel o titanio que permitirían habitats con dimensiones mucho mayores(rondando los 10 km de radio y 100 km de longitud para el titanio con coeficiente de seguridad(n) al 50%).
Pero en la ultimas décadas ha surgido un nuevo material muy prometedor, los nanotubos de carbono, con los que se podrían construir habitats de hasta 2000 km de radio. Hablamos ya de habitas cuya superficie se acerca a la de los planetas.



Un hábitat de tipo cerrado del diseño de un cilindro de O’Neill pero a estas escalas fue ideado por Tom McKendree, y por ello se denomina cilindro de McKendree
A diferencia del primero este ultimo no contaría con ventanas, a estas escalas esta forma de iluminación no seria practica.
A cambio tenemos el doble de superficie, y la iluminación realizaría de otra manera, posiblemente con soles lineales, repartidos a cierta altura sobre la superficie, como los comentados en la entrada sobre habitats de tipo cerrado.

Advertencia: mantengo en esta entrada la relación 1/10 para radio / longitud, así cada vez que hable de radio se entiende que la longitud del hábitat es 10 veces mayor.

A pesar de las dimensiones de estos habitats, la masa estructural es considerablemente baja, cercana a la de un asteroide de masa media., y hay miles de asteroides de este tamaño.
Para un hábitat de radio=500km, la masa estructural, es decir la de la coraza de nanotubos, se aproximaría a 10^17 kg, para un hábitat de radio 1000km, la masa se aproxima a 10^18 kg.
Para que nos hagamos una idea, Phobos tiene una masa de 10^16 kg, por supuesto solo un pequeño porcentaje de este es carbono, pero se hace patente que la cantidad de masa requerida para construir un hábitat que posee una área comparable a un pequeño planeta no es excesiva.
La masa estructural varia según lo que queramos meter dentro, mas suelo y atmósfera mas densa implica solicitar mas resistencia por parte de la estructura de nanotubos, para lo que se debe aumentar su grosor, y por lo tanto su peso,.

Con una menor velocidad de rotación para dar una pseudogravedad menor, por ejemplo la marciana, el posible radio, seria aun mayor.

La superficie de estos habitats comparándola con algunos planetas y lunas es:
superficie habitat( radio =500 km )= +/- 15 *10^6 km2 3 % la de la Tierra
superficie habitat (radio =1000 km)= +/- 60*10^6 km2 12 % la de la Tierra
superficie habitat (radio =3000 km)= +/- 560*10^6 km2 110 % la de la Tierra
superficie Luna : 38*10^6 km2 7.5% la de la tierra
superficie tierra: 510*10^6 km2
superficie Marte: 144*10^6 km2 28% la de la Tierra

imagen: comparación de tamaños de un hábitat de 500 y 1000 km de radio con la Tierra


Para calcular la masa atmosférica hay que tener en cuenta que el aire no llenaría homogéneamente el interior, debido a la pseudogravedad producida el aire dentro del hábitat se pegaría a la superficie interna en una capa de alrededor de 50-100 km(altura que varia con la pseudogravedad , mas pseudogravedad, menos altura de la atmosfera), la presión del aire descendería desde el nivel del suelo hasta valores cercanos al vacio al llegar a esa altura, igual que una atmósfera planetaria, este efecto se daría también en los cilindros de O’Neill, solo que el descenso de la presión en el centro debido al menor tamaño de estos habitats es apenas apreciable.
Por lo tanto en interior de un hábitat de esta escala, la mayor parte esta totalmente vacio.

La visión desde el interior seria increíble sin duda alguna, nuestra estación espacial actual esta a 300 km de altura y posee una visión espectacular de la superficie del planeta, alguien flotando ingrávido en el eje vería una superficie varios cientos de km (según radio del hábitat) mas debajo de lo que la ven nuestros astronautas actuales.


Una atmósfera de tal grosor seguramente daría unos fenómenos meteorologicos mas complejos mas parecidos a los de un planeta, con dos diferencias

-que la forma de los fenómenos meteorológicos serian totalmente diferentes, debido a que el efecto coriolis les daría forma diferente en un cilindro que en un planeta
- y que quizás los habitantes de estos habitats tendrán mas control sobre el clima, porque tendrían control sobre los niveles y duraciones de los ciclos de luminosidad y sobre el flujo de calor que entra y sale(radiadores).

Por encima de la atmósfera las condiciones serian de ingravidez, cualquier cosa que se dejase por encima de la atmósfera flotaría indefinidamente(cabrían asteroides enteros) ,es decir a diferencia de un cilindro de O’Neill donde hay una gradiente de pseudogravedad proporcional al radio desde la superficie hasta el eje(donde seria cero), la gravedad apenas disminuiría en la altura que contiene la atmósfera.

En habitas mas pequeños las condiciones de ingravidez alrededor del eje proporcionaban una zona de recreo, en este caso perdemos esta ventaja.
Para remediarlo se podría colocar un cilindro mas pequeño de unos pocos km de radio lleno de aire en el centro, de la escala de un cilindro de O’Neill,. si quisiésemos hacerlo de nanotubos de carbono, un cilindro de únicamente cuatro cm de grosor seria necesario para soportar la rotación necesaria para proporcionar un gee en la superficie (con ingravidez en su eje)

Una opción seria a modo de una muñeca de matrioska colocar mas cilindros de dimensiones un poco menores, anidados uno dentro del otro hasta sacar partido totalmente a los sucesivos huecos. La altura entre sucesivos niveles vendría determinado por lo que sus habitantes consideran ‘comodo’tener algo por encima de sus cabeza.
Tendríamos un efecto curioso en el que el suelo de los habitantes de unos de los niveles es el techo de los anteriores.
¡¡Sucesivos niveles pueden aumentar la superficie hasta igualar la superficie terrestre!!

En caso de querer evitar la precesión, se colocaria en pares con rotación contraria para eliminar ese efecto o sino colocar el segundo par en el interior con rotación contraria para anular el efecto nombrado.

Procediendo de esta manera el nuevo cilindro interior tendría que estar por encima de la atmósfera del cilindro anterior, para evitar el rozamiento con la atmósfera, esto quiere decir que la serie de cilindros anidados tendrían que tener una separación de al menos 50- 100 km entre ellos.
Si se quiere proporcionar gravedad menor, la distancia entre pisos ser mayor puesto que al altura de la atmósfera será mayor.


La opción de crear habitats de varios pisos, nos permite crear condiciones diferentes en cada uno de los pisos.
En caso necesario pisos con diferentes pseudogravedades son posibles.
Esto lo digo pensando en que quizás en algún momento de la colonización del sistema solar cuando los propios marcianos se construyan sus habitats espaciales, lo hagan de forma que imite las condiciones de Marte, entre ellas por supuesto su gravedad.
Un habitat así permitirá alojar juntas a poblaciones con diferentes necesidades.

De querer darse un capricho, y no veo porque no cuando la humanidad se halla expandido por el sistema solar, uno(o varios) habitat de varios niveles se podría dedicar a reproducir en varios de sus pisos diferentes ecosistemas terrestres, convirtiéndose en una reserva de superficie comparable a la de la Tierra pero sin interferencia humana.
Selvas tropicales decenas de veces mas grandes que la actual Amazonas serian posibles.

Estos minimundos podrían dar hogar a una población enorme.
Viendo las densidades de población de algunos países:
Datos en Habitantes/km2.

Países bajos: 403
Japón:336
Alemania: 232
China:140
España:80
Irlanda:60
Para un hábitat de 1000 km de radio con 50 % superficie de tierra firme y una densidad de 50 habitantes km2 la población posible es 1500 millones de personas.

Para suministrar energía a tanta población y para el hábitat seria posible cubrir con paneles solares el exterior del hábitat.
Si uno de los casquetes esféricos que apunta permanentemente al Sol se recubriese de esta forma, a una distancia de 1 UA(1300w/m2) se podrían suministrar 8*10^15 w de energía, lo que son 5400 kw disponibles por persona, siendo 6-11 kw el consumo medio de una persona del primer mundo actualmente.
El resto de al superficie exterior podría aprovecharse para otras cosas, por ejemplo el otro casquete esférico podría ser un espaciopuerto gigantesco.
De ser necesario un hábitat de estos podría tener runa protección formidable, con montones de naves de combate que despegarían sin esfuerzo.
La energía suministrada por los paneles solares podría desviarse también a laseres(que serian invisibles) y cañones de partículas de destruirían naves enemigas(aunque soy u poco escéptico sobre el belicismo en el espacio) a millones de km, o asteroides peligrosos.

En caso de dar relieve al entorno interior, por ejemplo montañas, mas que hacerlas a partir de una masa enorme de material, convendría hacerlas huecas, sino la carga seria excesiva, y la cantidad de material necesario también, podríamos utilizar ese espacio como almacenes. De esta forma la capa de suelo no ha de pasar de unos pocos metros.
Por debajo podría colocarse un sistema de transporté maglev para comunicar todo el hábitat.

Construir una megaestructura así, y acondicionar totalmente su interior para mantener una biosfera seguramente llevaría siglos, aunque seguramente esto sea visto desde un punto de vista de la tecnología del siglo 21 y puede que con la practica y las mejoras tecnológicas el periodo de tiempo se reduzca a unas poca décadas, aun así se podrían fabricar miles de estos habitas en nuestro sistema solar.

En una próxima entrada hablare de otro modelo de hábitat que utiliza los nanotubos de carbono, el Anillo de Bishop, y a continuación un par de entradas sobre una posible forma de terraformar Venus, creo que ya sabéis por donde irán los tiros...


Mas información en,
'Implications of Molecular Nanotechnology Technical Performance Parameters on Previously Defined Space System Architectures'

7 comentarios:

DarkSapiens dijo...

Esas "armas" podrían utilizarse para procesar o fundir un asteroide y así ayudar a crear un cilindro de McKendree mayor, o colonias asteroidales más pequeñas como las de Dandridge Cole, además de que pueden utilizarse como arma en caso de ser necesario (espero que no).

Puedo imaginarme una inmensa colonia del tipo descrito en esta entrada fabricando colonias menores para ser utilizadas, por ejemplo, en la exploración del cinturón de Kuiper, por ejemplo. O bien para ser utilizadas como nave generacional en camino a otras estrellas, ya que siendo menores serían más fáciles de acelerar a velocidades relativistas… No sé, el potencial es increíble :)

Saludos!

Dinorider d'Andoandor dijo...

Genial! sabes que esas ideas de los niveles superpuestos me recuerda en algo a una ciudad starwarsiana.

Me gustaría pedir prestada una anomalía y mirar el futuro!

DarkSapiens dijo...

Y esperemos que no resulte mareante un cielo en constante movimiento…

Gouki dijo...

Si dark, se podrían construir mas colonias como las de DC, pero no veo como una mas grande del estilo McKendree, no solo porque son del máximo tamaño posible, sino que además no veo como fundiendo un asteroide puedes crear una coraza de nanotubos de carbono.
Yo creo que al final el modo mas practico será enviar un equipo (automatizado o no) que mediante nanotecnologia molecular sea capaz de fabricar enormes filamentos de nanotubos de carbono a partir de la parte carbónica de esos asteroides.

Imagínate un hábitat de pequeña escala pero con este material, tendría no un coeficiente de seguridad de 2 o 3 sino de varios cientos, lo aguantaría casi todo...
Veo un problema con lo de acelerar hasta velocidades relativistas, puesto que haces girar el hábitat para crear pseudogravedad en la superficie interna, si aceleras el hábitat en una dirección vas a crear otra pseudogravedad seguramente la combinación de ambas pseudogravedades hará que el patrón de esta sea muy irregular, quizás lo suficiente para poner las cosas ‘difíciles’ en el interior.

Pero imaginate una especie de masss driver o cañón gauss del tamaño de un cilindro de MK, (y los nanotubos de carbono son mejores conductores que el cobre) que se utiliza para acelerar cargas no tripuladas a velocidades increíbles.

Respecto al mareo, yo creo que no. Para percibir movimiento a esa altura las irregularidades del techo deberían ser muy grandes.
El techo podría ser monocromático sin ningún tipo de diseño que al moverse no de sensación den movimiento y a 100 km el máximo detalle que podrías ver seria de cientos de metros de grande.
Incluso veo varias utilidades, se podría recubrir la superficie del techo con una película delgadísima de espejo, o con un film que crease imágenes ¿te imaginas que se pudiese reproducir el cielo estrellado nocturno?¡¿o que se mostrasen anuncios y películas?!

Dinorider, yo espero al menos vivir lo suficiente para ver algo parecido a un cilindro de O’Neill.

DarkSapiens dijo...

Es cierto, Gouki. Pero para los de Dandridge Cole hechos con un asteroide metálico, como describiste en la otra entrada, sí que servirían, yo creo. Quién sabe, tal vez un material u otro resulte más adecuado en determinados entornos o situaciones.

Lo del mareo lo dije porque por lo menos el "Sol artificial" debería estar en la base del cilindro superior. Pero supongo que si se utiliza como pantalla de imágenes, esta imagen podría estar rotando para compensar el movimiento :)

Eso sí, para que haya plantas por lo menos… hará falta algo de luz ultravioleta… Es que el tema del sol con varias capas de cilindros no lo acabo de ver claro aún. A ver si nos iluminas con tu respuesta (jur, me he dado cuenta luego del juego de palabras XD).

Saludos!

Gouki dijo...

en principio supongo que se podria hacer que el sol artificial emita en varias longitudes de onda, incluida los UVA.
respecto a su posicion y numero, estos soles, sean lineales o de cualquier otra forma, no veo porque obligatoriamente tienen que estar pegados al techo(aunque es un buen sitio). en principio no veo incovenientes graves en que esten dentro de la atmosfera, a pocos km de altura(esto reduciria la intensidad de la luz necesaria) o sino a una altura superior fuera de la myoria de la atmosfera pero bastante por debajo del techo,mas o menos que si el techo esta 100 km los soles pueden estar a 75.

mantenerlos en esa posicion??
con campos magneticos?en principio los nanotubos son muy buenos conductores, pero creo que si tenemos materiales superconductores en esa epoca se podrian entretejer esos materiales en el casco de NTC para poder crear potentes campos magneticos que permitan levitar a esos soles(de hecho tengo pensada una entrada sobre esto).
o mediante torres elevadisimas, tambien posibles gracias a los NTC, dispersas por toda la superficie, a modo de farolas gigantes.
e incluso si los colocas en el techo, esto es un problema si los soles lineales son colocados longitudinalmente en el cilindro, si los colocas a lo ancho no.
pero esto es para una situacion en el que el techo se desplaza porque el nivel superior gira en sentido contrario para solucionar la precesion, si ambos niveles se desplazasen juntos no habria problema.
tambien hay una propuesta en orion's arm de nubes que emiten luz, causando una iluminacion homogenea y descentralizada.

saludos

Esmeraldazxo Lindsayrcp dijo...

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La vida ha colonizado cada rincón de la Tierra, ya es hora de ayudarla a colonizar todo el sistema solar.