Зачем строить космические поселения на лунах или внутри них?

Считайте себя лицом, принимающим решения в новом проекте космической инфраструктуры. Вам было поручено основать первые несколько внеземных колоний для вашего вида.

Какие аспекты спутников Солнечной системы делают их более (или менее) привлекательными, чем другие тела (например, кометы, астероиды и/или безвоздушные планеты)?

Есть ли какие-либо из этих доводов (причин, которые делают очевидным создание или избегание колоний на лунах)?

30.09.2015 правка/дополнение: Могу представить несколько причин и/или ограничений для космической колонии:

  1. Как первая часть необходимой космической инфраструктуры
  2. Как транспортный узел
  3. Стать самодостаточной колонией
  4. Как страхование жизни для человеческого вида
  5. Как выгодное предприятие

Как многие из вас уже поняли, некоторые из них пересекаются. Успешная колония в той или иной степени будет обладать несколькими их аспектами.

Но позвольте мне уточнить некоторые соображения.

Расположение

Космические путешествия более жестко ограничены запасом топлива (дельта V), чем шкалой времени. Если не считать защиты от крупных солнечных явлений, одно место в космосе похоже на другое. Места, очень удаленные от Земли (Деймос, пересекающие Землю астероиды и т. д.), могут быть «очень близкими» с точки зрения бюджета дельты V, но при этом быть очень далекими от Земли.

Расстояние не является ограничением, дельта-V является ограничением

Ресурсы

Вначале всем колониям потребуется обширное пополнение запасов с Земли. Однако колонии, расположенные в местах с необходимыми ресурсами, надеются стать самодостаточными для удовлетворения основных потребностей (топливо, вода, кислород и строительные материалы) в довольно короткие сроки.

Кроме того, постоянное поселение в большинстве мест Солнечной системы потребует защиты от радиации, а защита от радиации требует массы. Таким образом, рукотворное поселение на средней околоземной орбите, вероятно, не сможет конкурировать с другими идеями, если только астероид, пересекающий Землю, не будет выведен на орбиту и использован для материалов.

Некоторые ресурсы более ценны для колонии, чем другие. Новой колонии потребуется большое количество воды, кислорода, азота и водорода, чтобы начать экологию замкнутого цикла.

Самодостаточная колония требует ресурсов в большом количестве.

Размер

Очевидно, что первые попытки человечества создать колонию будут менее масштабными, чтобы мы могли учиться, не подвергая опасности жизни миллионов людей. Но количество людей, которых мы собираемся поселить, имеет огромное значение, на каких телах можно будет разместиться. Например, если цель состоит в том, чтобы переселить большую часть населения Земли, Марс должен быть основным местом колонии. Нигде больше в Солнечной системе нет такой «гостеприимной» недвижимости, как на Марсе.

Энергия

Если колония будет создана за пределами марсианской орбиты, то она обязательно будет использовать ядерный реактор (если только мы не предположим, что к тому времени термоядерный синтез будет доступен). С точки зрения массы, для питания колонии с использованием солнечной энергии, вероятно, потребуется больше стартовой массы, чем деление (если не используется что-то вроде метода солнечного концентратора).

Коммуникация

Чем дальше колония от Земли, тем медленнее будет связь (как по задержке, так и по пропускной способности).

Экспорт

В конечном итоге колония, пытающаяся стать жизнеспособным коммерческим предприятием, должна будет производить что-то для Земли и делать это более экономично, чем это можно сделать на Земле. Реальность такова, что он конкурирует с наземными рынками и обречен на провал. Единственное место, где у вашей колонии есть преимущество/барьер для конкуренции, — это космос.

Поэтому я думаю, что колония сначала будет строить и обслуживать спутники Земли. Наряду с этим, колония, имеющая доступ к большому количеству летучих веществ (например, воды), может быть нанята для очистки всего хлама с земной орбиты. Кстати, это обеспечит колонию кучей уже переработанных ценных материалов.

В качестве побочного бизнеса он будет заниматься многими другими вещами (например, строить фантастические астрономические объекты, выполнять полеты зондов, служить туристическим направлением и выполнять миссии по возвращению образцов на Землю), и это может быть очень прибыльным, но я не думаю о них как о бизнес с большими объемами.

Если нет веских причин, по которым разумнее делать это в космосе, чем на Земле, изначально колония не будет заниматься производственным бизнесом. Я понимаю, что некоторые процессы лучше работают в космосе (в космосе можно сделать более качественные шарикоподшипники - возможно, для очень дорогого высокоточного оборудования? Я слышал, что легче контролировать рост кристаллов), но первыми целями колонии будут поставлять собственные сыпучие материалы. Вещи с низкой массой, требующие большой инфраструктуры, появятся позже.

Критерий выбора

Я хочу место, которое обеспечивает:

  • Комната для колонии небольшого размера (50-500 человек)
  • Удобное (с точки зрения дельты V) направление для посещения Земли и других достопримечательностей.
  • Доступ к ресурсам на месте , особенно к воде, кислороду, водороду, углероду, азоту и основным промышленным материалам/металлам.
  • Адекватная радиационная защита
  • Адекватная мощность
  • Возможность расширения (с точки зрения помещения и ресурсов)
  • Не необходимость, а бонусные баллы за предоставление повода для туристической поездки (вид, уникальность окружающему и т. д.)
  • Не необходимость, а бонусные баллы за предоставление возможности
    создать или расширить производственную базу (лекарства, кристаллы,
    электроника, шарикоподшипники, сверхчистый кремний для чипов и другие предметы, которые лучше всего изготавливаются в условиях невесомости, вакуума или того и другого)

К вашему сведению, мои любимые макгаффиты (причины полета в космос) — электрические сверхпроводники при комнатной температуре, чистый вакуум, необходимый для создания очень длинных (длиной в км) углеродных нанотрубок, и инопланетные артефакты.

Правки не должны вызываться. Вопросы по SE всегда должны отражать их лучшую форму, как будто они всегда были такими. Также нельзя допускать неудобных разрывов строк. Почему вы отменили совершенно уместное канцелярское редактирование?

Ответы (5)

Это зависит от ваших целей колонизации. Обратите внимание, что этот ответ относится к луне Земли (Луне). Я не вижу особого смысла в колонизации других лун.

Я собираюсь в основном противопоставить этой ссылке от НАСА, которую разместил Frostfyre. Я бы предпочел луну по следующим причинам:

  • Меня не волнует возвращение. Пока мои колонисты-люди здоровы при 1/6 нормального тяготения, что ни в коем случае не является уверенностью, меня это устраивает.
  • Я не забочусь о туризме, поэтому вид или его отсутствие не является основным фактором.
  • Он обеспечивает свободную гравитацию, даже если она уменьшена. Вращающиеся среды обитания усложняют проектирование. Строить или копать в условиях низкой гравитации, по-видимому, легче.
  • Вы можете получить материалы и ресурсы из тела, на котором вы находитесь. Может быть, более эффективно отправиться в другое место, но если что-то пойдет не так, я думаю, что лунная колония с большей вероятностью выживет и «спасет себя», чем астероид или орбитальная среда обитания.
  • Это в сладком месте, с точки зрения местоположения. Он всегда близко к Земле, а это значит, что у вас есть доступ к большей части человечества и его ресурсам, если вам это действительно нужно. С другой стороны, это достаточно далеко, чтобы вам было легче защищаться. Если вы вступаете в бой с наземной страной, орбитальная среда обитания чрезвычайно уязвима. Строительство на Марсе упрощает оборону, но затрудняет строительство, а переменные орбиты делают транспортировку настоящей проблемой.

Подводя итог (TLDR):

Орбитальные среды обитания слишком уязвимы для нападения и, вероятно, никогда не будут самодостаточными.

Луна находится достаточно близко к Земле, чтобы эффективно построить колонию, но имеет ресурсы и находится достаточно далеко, чтобы вы могли в конечном итоге стать независимыми.

Строить или копать в условиях низкой гравитации, по-видимому, легче. Исправление: копать легче (неважно, что обломки разлетятся далеко, прежде чем упадут), но строить сложно. Недостаточно поддержки для ваших фондов. Стены должны быть толще.
@YoustayIgo: Вам нужно меньше поддержки, а не больше? Если я что-то не упустил, вес вашего здания составляет 1/6 от нормального, поэтому вам нужна только 1/6 от нормальной поддержки. Имейте в виду, что я говорю здесь о вакууме, а не о луне с атмосферой.
Арх. Нельзя постоянно жить в вакууме и строить там объекты... *грустное лицо*
@YoustayIgo: Извините, почему? Вы можете импортировать и поддерживать атмосферное давление в куполах и туннелях, включая резервы, при значительно меньших усилиях, чем пытаться создать на Луне полную атмосферу. Возможно, вам придется время от времени выходить и получать больше, но это в равной степени верно и для орбитальной среды обитания.
Мы всегда могли взять лучшие части наших двух ответов и построить среду обитания у пояса астероидов. Тогда у вас есть немедленные ресурсы в защищенном месте, и вам не нужно беспокоиться о немедленном воздействии ближайшего небесного тела.
Я думаю, что первое предложение Дэна является ключом к тому, почему на это трудно ответить. Это действительно зависит от целей колонии. Если вам нужно/хотите действительно большое население, вы должны использовать большую луну или планету, такую ​​как Марс. Если вам нужен транспортный узел, вы бы использовали околоземную орбиту. Промышленности потребуется другое место и т. д. Согласно FrostFyre, мне нужно выбрать одну цель для колонии. Это облегчит ответ на этот вопрос.

Факторы в пользу лун над планетами:

  • Луны меньше по размеру, поэтому их легче терраформировать.

  • Большинство планет, которые мы обнаружили до сих пор, намного больше Земли. Это означает, что их гравитация слишком велика для нас (земных организмов). Луны меньшего размера не создают этой проблемы.

  • Безвоздушные луны легче заполнить атмосферой, потому что они меньше и нуждаются в меньшем количестве атмосферы, чтобы сформировать такое же атмосферное давление.

  • Точно так же луны нуждаются в меньших объемах воды, чтобы сформировать панлунный водоем (океан) для регулирования температуры.

  • Луны имеют меньшую вариацию рельефа, чем планеты, что облегчает абилитацию.

  • Планеты крупнее лун и, следовательно, имеют гораздо большее гравитационное притяжение. Это означает, что большинство приближающихся астероидов отклоняются к планетам, щадя луны.

Факторы, неблагоприятные для лун:

  • Большинство лун имеют слишком слабую гравитацию, поэтому движение намного сложнее, чем на планетах.

  • Большинство планет имеют сильное магнитное поле, в то время как их луны почти ничего не имеют (по сравнению с планетами), так что солнечный ветер опустошает луну, мало воздействуя на планету.

  • В то время как высокая гравитация планеты притягивает к себе большинство астероидов, ущерб от столкновения астероида с луной был бы в десятки раз больше, чем если бы этот астероид столкнулся с планетой.

  • Вихри и тайфуны гораздо более опасны для лун, чем для планет, из-за большей разницы температур и меньшей площади поверхности лун.

  • Луны редко когда-либо имеют достаточно высокое разнообразие элементов, чтобы поддерживать сложную жизнь. В то время как натрий, калий, кислород, азот, углерод, сера, кальций, фосфор и хлор абсолютно необходимы для земной сложной жизни, для здоровья также необходимы меньшие количества ванадия, титана, алюминия и магния и т. д. Такое большое разнообразие элементов крайне редко можно ожидать на луне, но вполне обычно для планет.

  • Приливный эффект соседней планеты вызовет огромные приливы в океанах, а также может постепенно лишить луну атмосферы.

Я не уверен насчет меньшего количества атмосферы для достижения того же давления, поскольку вам понадобится более глубокая атмосфера из-за меньшей гравитации. Я не уверен, что уравнения для глубины атмосферы масштабируются с большей или меньшей скоростью, чем площадь поверхности Луны, так что я могу быть совершенно неправ!
Согласовано. Я сам был немного неуверен, когда писал этот пункт. ^^^^
ХОРОШО. Быстрая и грязная математическая редукция. Поверхность, которую нам нужно покрыть при постоянном давлении, зависит от r^2, масса Луны зависит от r^3, а давление на поверхности зависит от гравитации (это предположение), которое масштабируется как функция массы. Если мы предположим, что атмосфера разрежена, то количество атмосферы, необходимое для получения хорошего давления, увеличивается быстрее, чем количество атмосферы, которое мы сохраняем за счет уменьшения площади поверхности. Там есть пара предположений, в которых я не уверен, хочет ли кто-нибудь скинуться?
«Приливный эффект соседней планеты вызовет огромные приливы в океанах, а также может постепенно лишить луну ее атмосферы». Луны в основном гарантированно будут заблокированы приливом (и если они достаточно далеко, чтобы не быть заблокированы приливом, тогда приливы в любом случае не будут сильными), так что это неправда.
@FihanoLeSugg: ссылка на утверждение о том, что луны гарантированно заблокированы приливами?
Меньшая гравитация означает большую высоту в масштабе атмосферы. Также, если средняя скорость молекулы воздуха превышает скорость убегания, тело быстро потеряет атмосферу. Эта форма атмосферных потерь известна как побег в джинсах. Если мы не говорим об очень большой луне, терраформирование неправдоподобно.
@YoustayIgo: en.wikipedia.org/wiki/Tidal_locking — хорошее начало для объяснения того, почему приливная блокировка рано или поздно должна произойти.
«Большинство значимых спутников Солнечной системы связаны приливной связью со своими главными спутниками, потому что они вращаются очень близко друг к другу, и приливная сила быстро увеличивается (в кубической форме) с уменьшением расстояния. Плутон и Харон — крайний пример приливной блокировки. Другие спутники Плутона — не заблокированы приливом. Ситуация приливной блокировки лун-астероидов в значительной степени неизвестна, но ожидается, что двойные системы, находящиеся на близкой орбите, будут заблокированы приливом, а также контактные двойные системы ». Так? Всегда ли луны гарантированно привязаны к своей планете приливами? Думаю, нет.

«Как только вы выйдете на околоземную орбиту, вы окажетесь на полпути к любой точке Солнечной системы». ~ Роберт А. Хайнлайн

В начале колонизации решающими факторами в распространении ваших колоний будут орбитальная механика и источники топлива. Хотя на Земле есть невообразимое количество ресурсов, атмосфера и гравитация не позволяют этим ресурсам получить место. В частности, нецелесообразно получать ракетное топливо с поверхности Земли для долгосрочных проектов колонизации, потому что для подъема топлива требуется так много топлива, а для подъема топлива требуется больше топлива, и так далее. Это известно как тирания ракетного уравнения.

Одна из причин, по которой НАСА рассматривает Луну как ступеньку во Вселенную, заключается в том, что на ее полюсах есть лед, который может гидролизоваться в кислород и водород, образуя реакционную массу, которую можно легко перенести с поверхности Луны.

В идеале вам нужно твердое небесное тело с материалом, который можно использовать в качестве реактивной массы для ракетных двигателей, с небольшим количеством атмосферы или без нее, препятствующей запуску ракет, но с высокой гравитацией, чтобы космический корабль мог достигать низких и быстрых орбит. Причина, по которой вам нужны низкие и быстрые орбиты, заключается в эффективности. Энергия, запасенная в ракетном топливе, намного эффективнее преобразуется в полезное изменение скорости (дельта v), когда ракета движется на высоких скоростях. При выполнении межпланетных перелетов ракета должна выйти из гравитационной сферы влияния ближнего тела И должна иметь избыточную скорость, чтобы совершить путешествие к дальнему телу. Наличие высокой орбитальной скорости для начала облегчает достижение этих избыточных скоростей.

«Почему бы просто не взлететь с Марса?» Вы можете спросить. Марс на самом деле является довольно хорошим кандидатом из-за его тонкой атмосферы. Но Марс — это планета, а планетам чего-то не хватает: скорости. Преимущество лун в том, что космический корабль, взлетая с луны, уже движется вокруг планеты со скоростью этой луны. Для луны Земли , Луны, это составляет в среднем около 1 км/ с скорости бесплатно.

«Почему бы не использовать комету?» Кометы сошли с ума. Определяющей характеристикой кометы является то, что она имеет очень эксцентричную орбиту вокруг Солнца. Это чрезвычайно затрудняет доступ к кометам и от них, потому что изменения, которые вы должны внести в орбиту вашего космического корабля, требуют огромных изменений скорости. Как только вы доберетесь до кометы, вы в значительной степени закончите, потому что там все равно не так много материала.

"Астероиды?" Пояса астероидов плотны по космическим меркам, но на удивление разрежены с практической точки зрения. Отдельные астероиды довольно малы и находятся в миллионах и миллионах километров друг от друга. Это все еще не так уж плохо, если у вас есть топливо и время, чтобы перемещаться между ними. Но опять же, добраться до астероидов и от них сложно, потому что у них не так много гравитации, чтобы захватить приближающийся корабль.

Таким образом, луны — довольно хорошие места для старта, потому что они достаточно велики, чтобы захватить приближающиеся корабли, достаточно велики, чтобы эффективно совершать большие орбитальные изменения (быстрые орбиты), достаточно малы, чтобы иметь очень мало атмосферы, достаточно малы, чтобы не требовалось огромных усилий. количество топлива, чтобы выйти на поверхность, и достаточно большое, чтобы колонизировать и производить топливо в течение длительного времени.

Кратер Тихо возле южного полюса Луны теоретически считается хорошим местом для начала космической колонизации, потому что он находится рядом с ледяной шапкой, может получать солнечный свет круглый год, но имеет доступную тень из-за края кратера и обладает всеми орбитальными преимуществами. Я только что упомянул (за исключением того, что он находится вне орбитальной плоскости Земля-Луна, что немного увеличивает затраты на топливо).

Таким образом, если низкая околоземная орбита находится на полпути к чему-либо, пребывание на Луне составляет примерно три четверти.

Люди могут платить 200 000 долларов за ночь за номер в отеле, чтобы увидеть восхождение Земли под стеклянным биокуполом, освещенным звездами, страстно наслаждаясь 1/6 земной гравитацией с тем, кого они любят.

Это и есть горячая бизнес-модель. Вы должны искать венчурный капитал немедленно!

Лучшее место для постройки колонии — не на поверхности или внутри небесного тела, а на орбите. У НАСА есть хороший брифинг по основам космической колонизации . Вкратце из статьи:

Потому что орбита намного превосходит Луну и Марс для колонизации, а другие планеты и луны слишком горячие, слишком далеко и/или не имеют твердой поверхности.

Хотя мы могли бы строить объекты в других мирах, я подозреваю, что первый шаг к колонизации будет на орбите вокруг тела, а не непосредственно на теле. Существует целый ряд проблем, связанных с постройкой колонии на теле: сложность попадания в космос или из космоса, местная погода, местная атмосфера (или ее отсутствие), местная география, местная геология и т. д. Строительство в космосе имеет меньше переменных.

Примечание. Это очень обширная тема, и она не очень подходит для вопросов и ответов в SE. Для более глубокого изучения, пожалуйста, прочитайте связанный брифинг.

Спасибо за ссылку! Я думаю, что вы можете быть правы относительно открытого характера моего вопроса. Позвольте мне подумать о том, как свести это к более точному вопросу.
Исследование НАСА началось в 1970-х годах, с тех пор космический мусор превратился в огромную проблему.
НАСА просто не хочет, чтобы кто-то летал на Луну