Sind Weltraumlebensräume der Weg der Zukunft?

Laut einigen liegt die Zukunft der Menschheit im Weltraum. Zusätzlich zu den Vorschlägen von Nationen wie China, die Pläne angekündigt haben, in den nächsten zehn Jahren einen Außenposten auf dem Mond zu errichten, möchten einige private Luft- und Raumfahrtunternehmen regelmäßig in die USA reisenMond und jenseits einer Realität.

Eines Tages könnte dies zu Unternehmungen wie dem Weltraumtourismus führen, bei dem Kunden eine Reise in die Umlaufbahn, zum Mond und sogar zum Mars buchen können, und sogar zur Schaffung kommerzieller Raumstationen sowie von Mond- und Mars-Kolonien.

Seit Generationen träumen Menschen von dem Tag, an dem Menschen auf dem Mond oder dem Mars leben könnten. Aber mit all den Entwicklungen, die in den letzten zehn Jahren stattgefunden haben, kommen wir an den Punkt, an dem einige dieser Ideen beginnenmachbarer aussehen.

Dies wirft die Frage auf: Wie werden Menschen auf lange Sicht im Weltraum leben? Sollten wir unsere Wurzeln in den Boden anderer Planeten pflanzen und sie und / oder uns selbst verändern, um unser Überleben zu sichern? Oder sollten wir darauf achten?Umlaufbahnlebensräume mit Mikroklima und künstlicher Schwerkraft schaffen?

In Bezug auf Ressourcen, Zeit, Aufwand und Unterbringung sind Weltraumlebensräume der richtige Weg? Und nach einer strengen Kosten-Nutzen-Analyse ist dies eine bessere Option als die Besiedlung von Planeten, Monden und anderen Himmelsobjekten?

Kolonisierungsraum

Während der Planetary Science Vision 2050 Workshop im Februar 2017 im NASA-Hauptquartier in Washington DC kamen Wissenschaftler aus aller Welt zusammen, um Forschungen und Präsentationen über die Zukunft der Menschheit im Weltraum auszutauschen.

Hier präsentierte Valeriy Yakovlev - ein Astrophysiker und Hydrogeologe vom Labor für Wasserqualität in Charkiw, Ukraine, ein Papier mit dem Titel " Mars Terraforming - der falsche Weg ".

Anstatt die verschiedenen Körper des Sonnensystems zu kolonisieren und zu transformieren, sollte die Menschheit stattdessen Weltraumlebensräume bauen. Er ging auf die Idee ein, eine permanente Kolonie auf dem Mars zu errichten :

"[Ein] radikales Hindernis dafür ist die Nichtverfügbarkeit von Menschen, unter Bedingungen der verringerten Schwerkraft von Mond und Mars zu leben und sich zumindest in den nächsten Jahrzehnten in ihren irdischen Körpern zu befinden."

"Wenn der Weg der Weltraumforschung darin besteht, eine Kolonie auf dem Mars zu schaffen und darüber hinaus die Versuche, den Planeten zu terraformieren, zu führen, führt dies zu einem ungerechtfertigten Zeit- und Geldverlust und erhöht die bekannten Risiken der menschlichen Zivilisation."

Der Grund dafür ist laut Yakolev, dass Oberflächenlebensräume und Terraforming nicht die Hauptherausforderungen der Kolonialisierung des Weltraums angehen. Sein Anliegen ist es, sich nicht darauf zu konzentrieren, wie man dorthin kommt oder wie wir das schaffen wollennotwendige Infrastruktur, die größte Herausforderung des Lebens im Weltraum besteht in der Schwierigkeit, Babys im Weltraum zu haben.

Die Gefahren des Lebens im Weltraum

Seien wir ehrlich, es gibt keinen Mangel an Gefahren, wenn es darum geht, im Weltraum zu leben. Neben der Gefahr, in einer versiegelten, unter Druck stehenden Blechdose zu leben, ist dies das einzige, was zwischen den Insassen und dem Vakuum des Weltraums bestehtvon Dingen, die dich töten können.

Mikrometeoroide sind eine Gefahr. Diese kleinen Partikel von Weltraummüll können eine Bedrohung für den Betrieb von Raumfahrzeugen in der Erdumlaufbahn darstellen. Sie sind winzig und wiegen weniger als ein Gramm 0,035 Unzen , sie können enorme Geschwindigkeiten erreichen und eine erhebliche Aufprallkraft erzeugen.

Die durchschnittliche Geschwindigkeit von Mikrometeoroiden relativ zu a Raumschiff im Orbit ist ungefähr 10 km / s 6,2 mi / s , was funktioniert 36.000 km / h 22.500 Meilen pro Stunde .Während einzelne Stöße wahrscheinlich keinen Raumanzug oder den Rumpf eines Raumfahrzeugs oder einer Raumstation beschädigen, kann eine langfristige Exposition zu erheblichem Verschleiß führen.

Dann besteht die Gefahr der Strahlung im Weltraum. Dank der Erdatmosphäre und ihres schützenden Magnetfelds sind Menschen in Industrienationen wie den Vereinigten Staaten einer durchschnittlichen Hintergrundstrahlung von etwa 0,31 rem 3,1 mSv ausgesetzt, mit einer anderen 0,31 rem 3,1 mSv pro Jahr aus künstlichen Quellen.

Über den Schutz unserer Atmosphäre und Magnetosphäre hinaus sind Astronauten jedoch einer viel höheren Sonneneinstrahlung und galaktischen kosmischen Strahlung GCR ausgesetzt. Es gibt auch die erhöhte Strahlung, die mit Sonnenpartikelereignissen SPE einhergeht.

Laut NASA-Studien sind Astronauten an Bord der Internationalen Raumstation ISS sechs Monate lang Dosen ionisierender Strahlung im Bereich von 50 bis 2.000 mSv ausgesetzt.

Diese und andere Studien haben eine Obergrenze von festgelegt 500 mSv pro Jahr für Astronauten die höchste jährliche Dosis, bei der kein Anstieg der Krebsrate beim Menschen beobachtet wurde.

Eine längere Exposition erhöht jedoch das Risiko für akute Strahlenkrankheit, Krebs, Schädigung des Zentralnervensystems, erhöhtes Risiko für degenerative Erkrankungen, genetische Schäden und sogar für den Tod dramatisch.

Langzeiteffekte bei geringer Schwerkraft

Auf der Erde beträgt die Schwerkraft 9,8 Meter pro Sekunde pro Sekunde 9,8 m / s² .Dies bedeutet, dass jedes Objekt im freien Fall in Richtung Oberfläche mit einer Geschwindigkeit von beschleunigt wird 9,8 Meter 32 Fuß für jede Sekunde, die es fällt.

Langzeitbelastung durch Mikrogravitation die Astronauten im Orbit erleben oder geringere Schwerkraft kann sich nachteilig auf alle Lebewesen auswirken, die sich in der "erdnormalen" Schwerkraft entwickelt haben oder 1 g. Es wurden mehrere Studien zu diesem Phänomen durchgeführt, hauptsächlich an Bord der ISS.

Dies schließt das wegweisende NASA ein Zwillingsstudie wo die Astronauten Scott und Mark Kelly für vergleichende Analysen verwendet wurden. Während Scott Kelly als Testperson fungierte und ein Jahr an Bord der ISS verbrachte, blieb Mark Kelly auf der Erde und fungierte als Kontrolle.

Nach der Rückkehr von Scott Kelly zur Erde wurden an beiden Astronauten mehrere Untersuchungen durchgeführt. Zusätzlich zum Verlust der Muskel- und Knochendichte zeigten die Studien, dass Langzeitmissionen in den Weltraum zu einer verminderten Organfunktion, Sehkraft und sogar genetischen Veränderungen führten.Die Anpassung an die erdnormale Schwerkraft kann für Astronauten auch mühsam und schmerzhaft sein.

Derzeit ist völlig unbekannt, ob medizinische Fortschritte diesen Effekten entgegenwirken können oder nicht. Es ist auch nicht bekannt, ob Rehabilitationsstrategien, beispielsweise mit Zentrifugen, über lange Zeiträume wirksam sind oder nicht.

Dies wirft die Frage auf, warum nicht einfach Lebensräume geschaffen werden können, die die erdnormale Schwerkraft simulieren können. Die Bewohner müssten nicht nur nicht medizinisch eingreifen, um eine physische Degeneration zu verhindern, sondern sie könnten möglicherweise auch Kinder im Weltraum ohne habenzusätzliche Sorgen über die Auswirkungen der Mikrogravitation.

Welche Art von Weltraumlebensräumen wir bauen könnten, gibt es eine Reihe von Optionen, die alle in Science-Fiction- und offiziellen Studien untersucht wurden.

Geschichte des Konzepts

Ähnlich wie bei der Erforschung von Raketentechnik und Weltraumforschung geht die Idee, Lebensräume in der Erdumlaufbahn oder im Weltraum zu schaffen, vor dem Weltraumzeitalter zurück und reicht bis zum Beginn des 20. Jahrhunderts zurück.

Hier ist auch Konstantin Tsiolkovsky 1857 - 1935, einem der Gründungsväter der Raketentechnik und Luftfahrt, eine große Schuld zu verdanken. 1903 veröffentlichte er eine Studie mit dem Titel „Untersuchung von Weltraumraketengeräten“, in der er tätig warschlug vor, Rotation zu verwenden, um künstliche Schwerkraft im Raum zu erzeugen.

1928 veröffentlichte der slowenische Raketeningenieur Herman Potočnik sein wegweisendes Buch Das Problem der Beerfahrung des Weltraums der Raketen-Motor Das Problem der Raumfahrt - der Raketenmotor .Hier schlug er vor, eine sich drehende, radförmige Station mit einem Durchmesser von 30 Metern zu bauen, die in eine geostationäre Umlaufbahn gebracht werden könnte.

1929 schrieb der irische Wissenschaftler John Desmond Bernal " Die Welt, das Fleisch und der Teufel: Eine Untersuchung der Zukunft der drei Feinde der rationalen Seele "in dem er einen hohlen kugelförmigen Lebensraum mit einem Durchmesser von 16 km beschrieb, der mit Luft gefüllt ist und eine Bevölkerung von 20.000 bis 30.000 Menschen aufnehmen kann.

In den 1950er Jahren aktualisierten die deutsch-amerikanischen Raketenwissenschaftler Wernher von Braun und Willy Ley die Idee als Teil eines Artikels und verbreiteten für Colliers Magazine - mit dem Titel " Der Mensch wird bald den Weltraum erobern! "

Von Braun und Ley stellten sich ein dreiteiliges Dreirad mit einem Durchmesser von vor 76 Meter 250 Fuß .Dieses Rad würde sich mit 3 U / min drehen, um künstliche Schwerkraft ein Drittel der Schwerkraft der Erde bereitzustellen, und als Stützpunkt für Raumschiffe dienen, die zum Mars fliegen.

1954 beschrieb der deutsche Wissenschaftler Hermann Oberth in seinem Buch die Verwendung massiver, rotierender Zylinder für die Raumfahrt "Menschen in den Weltraum - Neue Projekte für Raketen und Raumfahrt" Menschen im Weltraum - Neue Projekte für Raketen- und Raumfahrt .

1975 veranstalteten das Ames Research Center der NASA und die Stanford University gemeinsam das erste Jahrbuch. NASA-Sommerstudie In diesem zehnwöchigen Programm kamen Professoren, technische Direktoren und Studenten zusammen, um eine Vision zu entwickeln, wie Menschen eines Tages in einer großen Weltraumkolonie leben könnten.

Das Ergebnis war das Stanford Torus Space Settlement ein Entwurf für eine radähnliche Raumstation, die 10.000 Menschen aufnehmen und sich drehen würde, um das Gefühl einer erdnormalen oder partiellen Schwerkraft zu erzeugen.

1974 schlug der Physiker Gerard K. O'Neill während seiner Lehrtätigkeit an der Princeton University das Konzept eines rotierenden Zylinders im Weltraum vor, das in einem Artikel von September 1974 ausführlich beschrieben wurde. Physik heute - mit dem Titel " Die Kolonisierung des Weltraums ".

Diese Idee war das Ergebnis einer kooperativen Studie, in der O'Neills Studenten die Aufgabe hatten, Stationen zu entwerfen, die die Besiedlung des Weltraums bis zum 21. Jahrhundert unter Verwendung von Materialien ermöglichen, die aus dem Mond und erdnahen Asteroiden NEAs gewonnen wurden.

O'Neill hat dies in seinem Buch von 1976 erweitert. Die hohe Grenze: Menschliche Kolonien im Weltraum , Hervorheben, wie diese Arten von "Inseln im Weltraum" mit vorhandener Technologie gebaut werden könnten.

"Wir haben jetzt die technologische Fähigkeit, große Gemeinschaften im Weltraum aufzubauen", schrieb er, "Gemeinschaften, in denen Produktion, Landwirtschaft und alle anderen menschlichen Aktivitäten durchgeführt werden könnten."

Nach seiner Beschreibung würde dieser Zylinder aus zwei gegenläufigen Zylindern bestehen, die messen 8 km im Durchmesser und 32 km lang. Dies würde künstliche Schwerkraft erzeugen und gleichzeitig alle gyroskopischen Effekte aufheben.

In den neunziger Jahren wurden mehrere aktualisierte Versionen dieser Konzepte vorgeschlagen, was zum großen Teil der Space Settlement Contest 1994 von der NASA und der NSS ins Leben gerufen.

Dazu gehörten aktualisierte Versionen von O'Neill-Zylindern, Bernal-Kugeln und Radstationen, die die neuesten Entwicklungen in Technologie und Materialwissenschaften nutzen würden.

Im Jahr 2011 entwarfen Mark Holderman und Edward Henderson vom Technology Applications Assessment Team TAAT der NASA ein Konzept für eine Raumstation mit rotierendem Rad. Nicht-atmosphärischer Universaltransport für längere Erkundungen in den USA Nautilus-X.

Das Konzept wurde ursprünglich für Langzeitmissionen 1 bis 24 Monate vorgeschlagen, um die Auswirkungen der Schwerelosigkeit auf die menschliche Gesundheit zu begrenzen. In jüngerer Zeit wurde die Idee als mögliches Schlafquartal-Modul untersucht, das in die ISS integriert werden soll.

Dies würde es ermöglichen, mit künstlicher Schwerkraft zu experimentieren, ohne die Nützlichkeit der ISS für Experimente in der Schwerelosigkeit zu zerstören. Die Forschung könnte auch dazu beitragen, Konzepte für Raumfahrzeuge zu verfeinern, die die Schwerkraft mithilfe einer Zentrifuge simulieren können.

Im Jahr 2010 begann die NASA, ihre Vision für die Zukunft der Erforschung des menschlichen Weltraums zu verwirklichen. Mond zum Mars "Programm. Dieses Programm sah die Entwicklung einer neuen Generation schwerer Trägerraketen, Raumfahrzeuge und Raumstationen vor, die die Erforschung des Menschen über die Erde hinaus ermöglichen würden.

Ein zentraler Teil der Missionsarchitektur ist das Deep Space Gateway, ein umlaufender Lebensraum, der im cis-Mondraum errichtet werden soll. Dieser Lebensraum würde der NASA, anderen Weltraumagenturen und kommerziellen Partnern künftige Missionen zum Mond erleichterndient als Stützpunkt für Missionen zum Mars.

Im Jahr 2018 wurde der vorgeschlagene Lebensraum in umbenannt. Lunar Orbital Platform-Gateway LOP-G - oder nur das Lunar Gateway. Das vorgeschlagene Konfiguration fordert die Schaffung einer modularen Station, die aus acht Elementen besteht und von der NASA und internationalen Partnern bereitgestellt wird.

Diese Station dient als Zwischenstopp, an dem Besatzungen von der Erde aus starten - mit der Space Launch System SLS und die Orion-Raumkapsel - kann andocken und wieder versorgen. Astronauten und kommerzielle Besatzungen können mit a zur Mondoberfläche reisen. wiederverwendbarer Mondlander .

Für Missionen zum Mars plant die NASA, ein weiteres Element des Raumfahrzeugs hinzuzufügen - das Weltraumtransport . Dieses wiederverwendbare Raumschiff wird auf Solar-Electric Propulsion SEP angewiesen sein, um Fahrten zwischen dem Lunar Gateway und einer anderen Station im Orbit um den Mars durchzuführen.

Diese Station ist bekannt als Mars-Basislager eine weitere modulare Station, die es Astronauten ermöglicht, anzudocken und wieder zu versorgen, bevor sie zur Marsoberfläche hinuntergehen. Dies wird von der Mars Lander ein weiteres wiederverwendbares Raumschiff.

Im Januar 2016 wurde die Keck-Institut für Weltraumforschung veranstaltete eine Präsentation bei Caltech mit dem Titel " Bau des ersten Raumhafens im erdnahen Orbit ". Die Vorlesung wurde von Mitgliedern der Gateway Foundation eine gemeinnützige Organisation, die sich der Schaffung des weltweit ersten Weltraumhafens widmet.

Das Design des Gateways besteht aus zwei konzentrischen Innenringen, die mit vier Speichen an einem Außenring befestigt sind. Die Innenringe bilden den Lunar Gravity Area LGA, in dem Touristen in der Rotation der Station speisen und spielen können, um die Mondgravitation zu simulieren.

Im äußeren Ring LGA Habitation Ring werden Wohnmodule platziert. Der äußere Ring, der als Mars Gravity Area MGA bezeichnet wird, erfährt eine schnellere Rotation und bietet eine künstliche Gravitationsumgebung, ähnlich der, die Menschen an der Oberfläche erleben würdendes Mars.

Im Kern der Station befinden sich der Hub und die Bucht. Von hier aus werden die Verkehrskontrolle und der Betrieb des Gateways koordiniert. Der Hub verfügt außerdem über eine Beobachtungslounge, in der die Gäste eingehende Shuttles beobachten können.

Das Gateway-Konzept ist einer von vielen Hinweisen auf die wachsende Relevanz und Präsenz der kommerziellen Luft- und Raumfahrtindustrie im Weltraum. Die Stiftung geht auch davon aus, dass kommerzielle Startanbieter wie SpaceX von unschätzbarem Wert sein werden, wenn sie die Module des Gateways in den Orbit schicken mithilfe des Raumschiff / Super Heavy Startsystem.

Vorteile gegenüber Oberflächenkolonien

Weltraumkolonien haben einen angemessenen Anteil an Vor- und Nachteilen. Im Vergleich zur Gründung von Kolonien auf Planeten, Monden und Asteroiden gibt es jedoch eine Reihe wirklich günstiger Kompromisse.

Zum einen können rotierende Raumstationen - ob in Form von O'Neill-Zylindern, Von Braun-Rädern oder Stanford Torii - so weit gedreht werden, dass sie die erdnormale Schwerkraft nachahmen können.

Dies würde Bedenken hinsichtlich der langfristigen gesundheitlichen Auswirkungen von Low-G beseitigen und Kolonisten eine bessere Chance geben, Kinder zu bekommen, ohne sich auf medizinische Behandlungen oder künstliche Methoden verlassen zu müssen.

Strahlenschutz könnte auch dadurch gewährleistet werden, dass die Außenwände der Stationen mit strahlenbeständigem Material wie Blei, abgereichertem Uran oder Abwasser verstärkt werden. Eine zusätzliche Abschirmung könnte möglicherweise durch die Erzeugung eines Magnetfelds erfolgen.

Weltraumlebensräume könnten auch ein hohes Maß an Flexibilität bei der Lokalisierung der Kolonie ermöglichen. Sie könnten in einer Umlaufbahn um die Erde, den Mond, den Mars oder möglicherweise sogar andere Planeten und Hauptkörper im Sonnensystem errichtet werden.

Sie können auch an einer oder allen Stellen positioniert werden. Lagrange-Punkte im gesamten Sonnensystem. Dies sind Orte, an denen die Gravitationskräfte eines Zweikörpersystems wie Sonne und Erde Regionen mit verbessertem Gleichgewicht erzeugen, in denen ein Raumschiff „geparkt“ werden kann.

Herausforderungen bei der Schaffung von Weltraumlebensräumen

Natürlich wäre keine Diskussion über Weltraumlebensräume vollständig, ohne die vielen Herausforderungen zu erwähnen, die sie darstellen. Ähnlich wie bei jeder Anstrengung, über die Erde hinaus zu kolonisieren, sind die Kosten die offensichtlichste.

Um einen einzigen Lebensraum in der Erdumlaufbahn zu errichten, wäre eine beträchtliche Menge an Baumaterial, Treibstoff und Baurobotern erforderlich. So wie es aussieht, SpaceX Falcon 9 und Falcon Heavy kann Nutzlasten mit einer Rate von LEO liefern 2.719 USD und 1.410 USD pro kg bzw.

Während die Entwicklung vollständig wiederverwendbarer Fahrzeuge sowie von Smallsat-Startdiensten und SSTO-Raketen Single Stage-to-Orbit zu einer erheblichen Reduzierung der Startkosten geführt hat, würde das Versenden aller erforderlichen Materialien und Ausrüstungsgegenstände in den Orbit weiterhin erfolgeneine monumentale Ausgabe sein.

Eine mögliche Lösung wäre die Extraktion von Materialien aus NEAs oder dem Mond mithilfe von Roboter-Raumfahrzeugen und Spediteuren. Diese könnten dann in die Erdumlaufbahn gebracht werden, um zu Baumaterialien verarbeitet und mithilfe von Baurobotern zusammengebaut zu werden.

Dies würde jedoch immer noch erfordern, dass Material und Maschinen im Wert von Megatonnen in den Weltraum geschickt werden, um diese Roboter und Einrichtungen zu bauen. Die Kosten werden umso unerschwinglicher, je weiter diese Lebensräume entfernt sind.

Weg der Zukunft?

Dies ist jedoch ein weiterer Vorteil der Schaffung von Weltraumlebensräumen. Während die anfängliche Investition in die Umlaufbahn um die Erde oder in den cis-Mondraum immens wäre, könnten diese Lebensräume als Sprungbrett zu weiter entfernten Orten dienen.

Grundsätzlich würde das Vorhandensein dieser Lebensräume zwischen Erde und Mond bedeuten, dass Raumschiffe mit Materialien aus dem Weltraum in der Umlaufbahn zusammengebaut werden könnten. Sie könnten auch von diesen Stationen aus starten, anstatt von der Erde abheben zu müssen.

Dies würde eine erhebliche Reduzierung der Anzahl der Starts von der Erde bedeuten, ganz zu schweigen von der Menge an Treibstoff, die für die Durchführung von Weltraummissionen benötigt wird.

Vom Erd-Mond-System könnten Roboter-Raumschiffe und Besatzungen möglicherweise zum Mars, zum Asteroidengürtel sowie zum äußeren und inneren Sonnensystem geschickt werden, um mit lokal geernteten Materialien zusätzliche Lebensräume zu schaffen.

Je mehr Orte wir mit Weltraumlebensräumen "kolonisiert" haben, desto einfacher wird es sein, die Präsenz der Menschheit im gesamten Sonnensystem zu erweitern. Es ist jedoch unwahrscheinlich, dass zukünftige Generationen eine Option der anderen vorziehen.

Letztendlich erscheint es realistischer anzunehmen, dass Weltraumlebensräume die Ausbreitung von Menschen durch den Weltraum erleichtern könnten, was auch die Ermöglichung von Siedlungen auf anderen Planeten einschließt. Zusätzlich zu "Marsmenschen" und dergleichen würde es also auch "Lagrangians "oder wie auch immer sie heißen.

Weiterführende Literatur :

• ESA - Space Gateway
• NSS - Space Settlements
• NASA - Gateway Memorandum
• NSS - O'Neill Cylinder Space Settlement
• The Gateway Foundation - Das Gateway
• NASA - Space Settlements: Eine Designstudie 1977
• KISS - Bau des ersten Raumhafens im erdnahen Orbit
• NASA - Human Research Program: Der menschliche Körper im Weltraum
• Mars Terraforming des Mond- und Planeteninstituts: Der falsche Weg
• NASA - Deep Space Gateway, um Möglichkeiten für entfernte Ziele zu eröffnen
• NSS - "Kolonien im Weltraum", von TA Heppenheimer 1977
  • Kapitel 2 - Unser Leben im Weltraum
  • Kapitel 3 - Weltraumbesiedlung bald!