Reproducido con autorización de Physics Today , 27(9):32-40 (septiembre de 1974). © 1974, Instituto Americano de Física.

El difunto Gerard K. O’Neill fue profesor de física en la Universidad de Princeton.

La ingeniería cuidadosa y el análisis de costos muestran que podemos construir viviendas placenteras y autosuficientes en el espacio dentro de las próximas dos décadas, resolviendo muchos de los problemas de la Tierra.

Las nuevas ideas son controvertidas cuando desafían la ortodoxia, pero la ortodoxia cambia con el tiempo, a menudo sorprendentemente rápido. Es ortodoxo, por ejemplo, creer que la Tierra es el único hábitat práctico para el Hombre, y que la raza humana está cerca de sus límites de tamaño definitivos. Pero creo que ahora hemos llegado al punto en el que podemos, si así lo elegimos, construir nuevos hábitats mucho más cómodos, productivos y atractivos que la mayor parte de la Tierra.

Aunque los pensamientos sobre la migración al espacio son tan antiguos como la ciencia ficción, la base técnica para un cálculo serio no existió hasta finales de la década de 1960. Además, un “colgado” mental —la idea fija de los planetas como sitios de colonias— parece haber atrapado a casi todos los que han considerado el problema, incluidos, curiosamente, casi todos los escritores de ciencia ficción. En los últimos meses supe que el pionero espacial Konstantin Tsiolkowsky, en sus sueños del futuro, fue uno de los primeros en escapar de ese complejo.

Por casualidad, e inicialmente casi como una broma, comencé algunos cálculos sobre el problema en 1969, al principio como un ejercicio para los estudiantes más ambiciosos en un curso de introducción a la física. Como sucede a veces en las ciencias duras, lo que empezó como una broma tuvo que tomarse más en serio cuando los números empezaron a salir bien. Siguieron varios años de intentos frustrantes de publicar estos estudios.

Los amigos me aconsejaron que lleve mis ideas «a la gente» en forma de conferencias de física en las universidades. La respuesta positiva (especialmente de los estudiantes) me animó a indagar más en busca de respuestas a las preguntas sobre daños por meteoritos, productividad agrícola, fuentes de materiales, economía y otros temas. Los resultados de ese estudio indican que

• podemos colonizar el espacio , y hacerlo sin robar ni dañar a nadie y sin contaminar nada.
• si el trabajo comienza pronto, casi toda nuestra actividad industrial podría alejarse de la frágil biosfera de la Tierra en menos de un siglo a partir de ahora.
• Es probable que los imperativos técnicos de este tipo de migración de personas e industrias al espacio fomenten la autosuficiencia, las unidades gubernamentales a pequeña escala, la diversidad cultural y un alto grado de independencia.
• el límite máximo de tamaño para la raza humana en la nueva frontera disponible es al menos 20.000 veces su valor actual.

¿Cómo puede tener lugar la colonización? Es posible incluso con la tecnología existente, si se hace de la manera más eficiente. Se necesitan nuevos métodos, pero ninguno va más allá del alcance del conocimiento actual. El desafío es hacer que el objetivo de la colonización del espacio sea económicamente factible ahora, y la clave es tratar la región más allá de la Tierra no como un vacío sino como un medio de cultivo, rico en materia y energía. Para vivir normalmente, las personas necesitan energía, aire, agua, tierra y gravedad. En el espacio, la energía solar es confiable y conveniente de usar; la Luna y el cinturón de asteroides pueden suministrar los materiales necesarios, y la aceleración rotacional puede sustituir a la gravedad de la Tierra.

Hasta ahora, la exploración espacial, como antes la exploración antártica, ha consistido en expediciones científicas a corto plazo, cuya supervivencia depende totalmente de los suministros traídos de casa. Si, por el contrario, utilizamos la materia y la energía disponibles en el espacio para colonizar y construir, podemos lograr una gran productividad de alimentos y bienes materiales. Entonces, en un tiempo lo suficientemente corto como para ser útil, el crecimiento exponencial de las colonias puede llegar al punto en el que las colonias pueden ser de gran beneficio para toda la raza humana.

Para mostrar que estamos técnicamente capacitados para comenzar tal desarrollo ahora, esta discusión se limitará a la tecnología de la década de 1970, asumiendo solo aquellos materiales estructurales que ya existen. Dentro de un desarrollo que puede abarcar 100 años, esta suposición es irrealmente conservadora. Examinaremos las comunidades espaciales individuales: su estructura y apariencia y las actividades posibles para sus habitantes, su relación con el espacio que los rodea, las fuentes de alimento, los viajes entre comunidades así como a la Tierra, la economía de las colonias y los planes para su crecimiento. Como es habitual en física, es valioso considerar casos límite; para este estudio, los límites son una eventual comunidad espacial de tamaño completo en una escala establecida por la resistencia de los materiales, y un primer modelo, para el cual se pueden hacer estimaciones razonables de costos.

Un hábitat cilíndrico

La geometría de cada comunidad espacial está bastante definida si se requieren todas las condiciones siguientes: gravedad normal, ciclo normal de día y noche, luz solar natural, apariencia terrestre, uso eficiente de la energía solar y de los materiales. La geometría más efectiva que satisface todas estas condiciones parece ser un par de cilindros. La economía del uso eficiente de los materiales tiende a limitar su tamaño a unas cuatro millas de diámetro y quizás a unas 16 millas de longitud. (Consulte la figura 1.) En estos pares de cilindros, toda el área terrestre está dedicada a espacios habitables, parques y bosques, con lagos, ríos, pastos, árboles, animales y pájaros, un entorno como las partes más atractivas de la Tierra; la agricultura se lleva a cabo en otros lugares. La circunferencia se divide en franjas alternas de área de tierra «valles») y área de ventana («solares»).

Figura 1. Sección de un cilindro principal de la comunidad espacial (arriba). La circunferencia se divide en franjas alternas de área terrestre (valles) y área de ventana (solares). Aunque los valles de la comunidad espacial ofrecen nuevas oportunidades de paisajismo y posibilidades arquitectónicas, es tranquilizador observar que se pueden recrear ciertas características de la Tierra: la vista lateral de la tapa del extremo de un cilindro (abajo) incluye un perfil de montaña tomado de una fotografía aérea de una sección de la cordillera Grand Teton en Wyoming.

Debido a que la Luna es una rica fuente tanto de titanio como de aluminio, es probable que estos metales se utilicen ampliamente en las colonias. Sin embargo, por conservadurismo, el cálculo de la estructura del cilindro se ha basado en el uso de cables de acero, para formar «longerons» (miembros longitudinales que soportan las fuerzas atmosféricas en las tapas de los extremos) y bandas circunferenciales (que soportan la fuerza atmosférica y el giro). pesos inducidos del suelo, de los largueros y de ellos mismos). Para obtener detalles de este cálculo y las suposiciones que incluye, consulte el cuadro [a continuación]. Los cables de acero se agrupan para formar una malla gruesa en las áreas de las ventanas. Las bandas allí subtienden un ángulo visual de 2.3 x10 ^-4radianes, aproximadamente igual al límite de difracción para el ojo humano adaptado a la luz solar, por lo que son casi invisibles. Las ventanas en sí son de vidrio o plástico, subdivididas en pequeños paneles.

Estructura de acero

Para la estructura, se supone que los cables de acero se forman en largueros (espesor promedio Δr _L ) y bandas circulares (espesor promedio Δr _B ).
El valor de Δr _L requerido es

Δr _L = R ρ _o /2 T

donde R es el radio del cilindro, ρ _o la presión atmosférica y T la tensión. Para la densidad del terreno ρ _L y la profundidad x _L , y las bandas de densidad ρ _F , la presión interna total equivalente p _T es

pags _T = ρ _o + ρ _L X _L gramo + ρ _F r _segundo gramo + ρ _F r _L gramo

Para resolver p _T notamos que

Δr _segundo = pag _T R / T

así que eso

pags _T = (ρ _o + gramo ρ _L x _L + gramo ρ _F R / T )/(1- gramo ρ _F R / T )

Para una profundidad de suelo promedio de 150 cm, con una densidad promedio de 1.5 g por cc,

p _o = gramo ρ _L x _L = 1,23 x 10 ⁵ newton/m ²

Para llegar a un valor conservador de T , observamos que hace medio siglo, la tensión de trabajo de los cables de los puentes colgantes era de 70 000 a 80 000 libras por pulgada cuadrada [ ref 1 ].

En ese momento, DB Steinman [ ref 1 ] abogó por el uso de tensiones superiores a 100.000 psi. Si usamos aceros de 1920, endurecidos para llevar el límite elástico al 90 % de la resistencia máxima y trabajamos al 75 % del límite elástico, la tensión de trabajo puede ser de 152 000 psi. Si tomamos T como 150 000 psi y R como 3200 metros, la densidad de masa superficial promedio es de 7,5 toneladas por metro cuadrado.

En las áreas de ventana (solar), los largueros pueden ser cables de 0,8 metros en pilas de cuatro a intervalos de 14 metros. Las bandas pueden estar en la misma disposición, pero con un diámetro de 1,5 metros, y la transparencia de la malla será entonces del 84%. Valores considerablemente mayores de R resultarían del uso extensivo de titanio en la estructura, junto con una capa más delgada de tierra.

No existe un límite superior definido en el tamaño de un cilindro de la comunidad espacial; sin embargo, a medida que aumenta el tamaño, una fracción mayor de la masa total se encuentra en forma de cables de soporte. La cifra de 3200 metros para el radio R es algo arbitraria. La economía favorecería un tamaño más pequeño; el uso de materiales de alta resistencia, o un fuerte deseo de un entorno aún más parecido a la tierra, favorecería una más grande. Independientemente del tamaño, la gravedad aparente es normal en la Tierra, y la composición del aire, así como la presión atmosférica, son las del nivel del mar en la Tierra. Para R igual a 3200 metros, la profundidad atmosférica es la de un lugar de la Tierra a 3300 metros sobre el nivel del mar, una altitud donde el cielo es azul y el clima habitable: En cualquier radio r dentro del cilindro tenemos

pags = pags mi ^{– un ( R 2 -r 2 )} _{_}

donde

a  ≡ g p _o /2 R p _o = (1/2 R )(1.2 x 10 ^– 4 /metro)

La duración de un día en cada comunidad se controla abriendo y cerrando los espejos principales que giran con los cilindros. La duración del día establece la temperatura promedio y la variación estacional dentro del cilindro. Cada cilindro se puede considerar como un disipador de calor equivalente a 3 x ^{10 8} toneladas de agua; para un intercambio de calor completo, la tasa de advertencia a plena luz del día sería de aproximadamente 0,7 grados C por hora. Al igual que en la Tierra, la verdadera tasa de calentamiento es mayor porque el suelo, a más de unos pocos centímetros por debajo de la superficie, no sigue la variación diurna.

Las especies de aves y animales que están en peligro en la Tierra por los residuos químicos agrícolas e industriales pueden encontrar refugios para crecer en las colonias espaciales, donde los insecticidas son innecesarios, las áreas agrícolas están físicamente separadas de las áreas de vivienda y la industria tiene energía ilimitada para reciclar.

Como podemos ver en la figura 1, es posible recrear ciertas características de la Tierra: el perfil de la montaña está tomado de una fotografía aérea de una sección de la cordillera Grand Teton en Wyoming. Las alturas calculadas de la base de las nubes, como se ve en la figura, son típicas del clima de verano en la Tierra: para una tasa de gradiente adiabático seco de 3,1 grados por 300 metros y una tasa de gradiente de punto de rocío de 0,56 grados por 300 metros, la humedad relativa y un rango de temperatura entre cero y 32°C, las alturas de la base de las nubes oscilan entre 1100 y 1400 metros.

Control ambiental

Las áreas agrícolas están separadas de las áreas de vivienda, y cada una tiene el mejor clima para el cultivo en particular que va a crecer. La gravedad, la atmósfera y la insolación son similares a la tierra en la mayoría de los cilindros agrícolas, pero allí no se intenta simular una apariencia terrestre. Las semillas seleccionadas en un ambiente estéril y aislado inician el crecimiento, por lo que no se necesitan insecticidas ni pesticidas. (El tiempo de evolución para el organismo infeccioso es largo, y la reesterilización de un cilindro agrícola contaminado mediante calentamiento no sería difícil). Todos los alimentos pueden ser frescos, porque se cultivan a solo 20 millas del punto de uso. Los cilindros agrícolas pueden distribuirse uniformemente en fase estacional, de forma que en un momento dado varios de ellos estén en el mes adecuado para la recolección de cualquier cultivo deseado.

La Figura 2 muestra vistas laterales y finales de una comunidad espacial como un ecosistema completo. Los espejos principales están hechos de papel de aluminio y son planos. Al mover estos espejos, varía el ángulo en el que la luz del sol incide en los valles (controlando el ciclo diurno), y el Sol aparece inmóvil en el cielo, como lo hace en la Tierra. Las estaciones de energía solar, que consisten en espejos paraboloidales, tubos de calderas y generadores eléctricos de turbinas de vapor convencionales, pueden proporcionar a la comunidad energía suficiente, fácilmente hasta diez veces la energía por persona que se usa actualmente (10 kw) en regiones altamente industrializadas [ ref . 2]. Para tales condiciones ricas en energía (120 kw por persona), la potencia necesaria para un cilindro que alberga a 100 000 personas es de 12 000 megavatios: la energía solar que incide en la tapa de un cilindro es de 36 000 megavatios, adecuada si la eficiencia térmica es del 33 %. Se necesitarían plantas de energía adicionales cerca del anillo agrícola para una mayor densidad de población. El calor residual se envía al espacio mediante radiadores infrarrojos de baja direccionalidad.

Figura 2. La comunidad espacial en su conjunto se ve en las vistas lateral (superior) y final (inferior) Para la vista final, se muestran 37 de los 72 cilindros agrícolas en un anillo; el anillo no gira como un todo. Tenga en cuenta las líneas de simetría en ambas secciones de la figura.

Las comunidades están protegidas de los rayos cósmicos por la profundidad de la atmósfera y por la estructura de soporte de tierra y acero, distribuyéndose las bandas y largueros donde la transparencia visual es innecesaria. El daño por meteoritos no debería ser un peligro grave. La mayoría de los meteoroides son de origen cometario en lugar de asteroide y son conglomerados de polvo, posiblemente unidos por gases congelados [ ref 3 ]; un meteoroide típico se parece más a una bola de nieve que a una roca. Los sensores de las naves espaciales han recopilado datos abundantes y consistentes sobre meteoroides en el rango de 10 ^-6 a 1 gramo, y se cree que la red sísmica lunar de Apolo tiene una eficiencia de detección del 100 % para meteoroides [ ref 4 ] por encima de 10 kg: los datos de estas fuentes son consistentes con una sola ley de distribución.

Los datos de la cámara del cielo de Prairie Network [ ref 5], después de una corrección sustancial para la eficiencia luminosa asumida, concuerda con los datos de la Administración Nacional de Aeronáutica y del Espacio para meteoroides de 10 g. Los datos sísmicos y de la nave espacial indican un intervalo medio de alrededor de un millón de años para el impacto de un meteoroide pesado (una tonelada) en una comunidad espacial de una sección transversal de 1000 kilómetros cuadrados. Incluso tal golpe debería producir solo daños locales si la estructura está bien diseñada. Para meteoroides de 100 gramos, el intervalo medio para una huelga es de unos tres años. Desde los puntos de vista combinados de la frecuencia y el impulso transportado, el rango de tamaño de uno a diez gramos puede necesitar el mayor cuidado en el diseño de ventanas y métodos de reparación. Para la rotura total de un panel de ventana, Daniel Villani de Princeton ha calculado un tiempo de fuga de unos 300 años. El control de daños por meteoritos es, entonces,

Rotación axial y transporte

Un elemento clave en el diseño de la colonia espacial es el acoplamiento de dos cilindros mediante un cable de tensión y una torre de compresión para formar un sistema que tiene un momento angular axial cero y, por lo tanto, es capaz de mantener su eje apuntando hacia el Sol sin el uso de propulsores El diagrama de fuerza y ​​torque para este arreglo se ve en la figura 3. Para acelerar los cilindros hasta la velocidad de rotación requerida, se transmite un torque estático a través del marco de compresión que une los dos cilindros de un par. Para un tiempo de giro de tres años, se necesitan 560 000 caballos de fuerza constantes; esto es el 3% de la capacidad del generador de un cilindro. Después del giro, los mismos motores pueden proporcionar potencia de mantenimiento para las pérdidas por fricción y para el control de actitud sobre el eje de giro. El momento angular de cada cilindro es 1,5 x 10 ¹⁸ kg² rad por segundo; el par necesario para la precesión de este momento angular una vez al año es de 3 x ^{10 11} newton metros, lo que corresponde a una fuerza constante de 1 200 toneladas en un brazo de palanca de 26 km.

Figura 3. Diagrama de fuerza y ​​par para un cilindro. Las fuerzas estáticas no disipativas se utilizan para precesar los momentos angulares de espín, de modo que los ejes de los cilindros siempre apunten hacia el Sol.

La diferencia de fase de las estaciones entre los dos cilindros permite el «contrapunto estacional», pleno verano en un cilindro durante pleno invierno en el otro. El viaje entre los dos no requiere energía y solo nueve minutos de tiempo. Están separados por solo 90 km y los vehículos sin motor pueden desbloquearse desde la superficie exterior de un cilindro en un momento preestablecido, moverse en vuelo libre con la velocidad tangencial (180 metros por segundo o 400 millas por hora) y bloquearse en el otro cilindro. a velocidad relativa cero.

El viaje entre comunidades también se puede realizar con vehículos simples sin motor, acelerados en una dirección calculada por un motor eléctrico estacionario que tira de un cable y desacelerado por un cable de detención en el destino. Los vehículos “teleféricos” para tal vuelo libre no necesitan combustible, ni mantenimiento complejo ni una tripulación altamente capacitada, y deben ser económicos. Las velocidades de los vehículos permiten viajar entre una población total mayor que la de la Tierra en tiempos de vuelo de siete horas. (Aquí he asumido comunidades espaciadas a intervalos de 200 km, de modo que la dimensión máxima de un grupo plano que alberga a 4 mil millones de personas es de 29 000 km. Para un vehículo con una aceleración de 1 g y el tiempo de viaje requerido de siete horas, la longitud de la aceleración es de 66 km.) Sin necesidad de diseño aerodinámico,

La vida en las colonias

Las declaraciones clave hasta el momento se han basado en hechos conocidos, en cálculos que pueden verificarse y en tecnología cuyos costos pueden estimarse de manera realista. La discusión, sin embargo, sería estéril sin algunas especulaciones que deben, por supuesto, ser consistentes con los hechos conocidos.

Con abundancia de alimentos y energía eléctrica limpia, climas controlados y clima templado, las condiciones de vida en las colonias deberían ser mucho más agradables que en la mayoría de los lugares de la Tierra. Para las distancias de 20 millas de los interiores de los cilindros, las bicicletas y los vehículos eléctricos de baja velocidad son adecuados. No se necesitan automóviles que quemen combustible, aeronaves motorizadas ni calefacción por combustión; por lo tanto, no hay smog. Para los viajes al exterior, la simplicidad de los vehículos sin motor y sin piloto probablemente signifique que las personas y las familias podrán pagar fácilmente vehículos espaciales privados para viajes de bajo costo a comunidades lejanas con culturas e idiomas diversos. Por lo tanto, es probable que los «vehículos recreativos» de la época colonial sean simples naves espaciales,

Todos los deportes de tierra, así como los nuevos, son posibles en las comunidades. Esquiar, navegar, escalar montañas (con la gravedad disminuyendo linealmente a medida que aumenta la altitud) y volar son algunos ejemplos. Como entusiasta piloto de planeadores, he comprobado la cuestión de las escalas térmicas: los pilotos de vuelo de la época colonial deberían encontrar suficiente inestabilidad atmosférica para proporcionarles sustentación. A gran altura, el vuelo impulsado por el hombre, un sueño casi imposible en la Tierra, se vuelve fácil. Un cilindro agrícola especial que gira lentamente con agua y peces puede tener una gravedad 10 ^-2 o 10 ^-3 veces mayor que en la Tierra para bucear sin problemas de compensación de presión. Los deportes ruidosos o contaminantes, como las carreras de autos, se pueden realizar fácilmente en uno de los cilindros del anillo externo.

La autosuficiencia de las comunidades espaciales probablemente tenga un fuerte efecto en el gobierno. Una comunidad de 200.000 personas, ansiosa por preservar su propia cultura e idioma, puede incluso optar por permanecer en gran parte aislada. La experimentación social libre y diversa podría prosperar en un entorno tan protegido y autosuficiente.

Si abandonamos nuestra limitación a la tecnología actual, el tamaño de una comunidad podría ser mayor. Un desarrollo previsible es el uso de cojinetes casi sin fricción (por ejemplo, magnéticos) entre un cilindro giratorio y su estructura de soporte, que no necesita girar. Para ocho toneladas por metro cuadrado de densidad superficial y una resistencia a la tracción de 300.000 psi, R sería de 16 km, el área total sería de 50.000 km ² y la población estaría entre cinco millones (densidad baja) y 700 millones (límite ecológico). , la población máxima que se puede soportar).

En la Tabla 1 vemos mi estimación del cronograma más temprano posible para la colonización espacial, comenzando con una comunidad modelo a fines de la década de 1980. Desde aproximadamente el año 2014, asumo un tiempo de duplicación de seis años para las colonias; es decir, la mano de obra de una colonia “madre” podría construir una colonia “hija” dentro de ese tiempo. Al hacer estas estimaciones, calculé que la primera comunidad modelo requeriría un esfuerzo de construcción de 42 toneladas por año-hombre, comparable al esfuerzo para la construcción de puentes a gran escala en la Tierra. Las comunidades de tamaño completo con alta densidad de población requieren 50 toneladas por año-hombre, y hasta 5000 toneladas por año-hombre para baja densidad de población. A modo de comparación, la minería y el envío automatizados en Australia ahora alcanzan las 200 toneladas por año-hombre en promedio en una ciudad [ ref 6 ].

Cuadro 1: Etapas posibles en el desarrollo de comunidades espaciales

* Las cifras de población son por unidad doble; las cifras más altas son los límites ecológicos aproximados, para la agricultura convencional.

A la larga, la construcción de colonias espaciales es ideal para la automatización. La estructura de una colonia consiste principalmente en cables, accesorios y paneles de ventanas de forma modular estándar en un patrón repetido miles de veces. El montaje tiene lugar en un entorno de gravedad cero libre de los caprichos del clima. Para cuando las colonias estén evolucionando hacia una baja densidad de población, por lo tanto, sospecho que muy pocas personas estarán involucradas en su construcción. La mayor parte de la fuerza laboral probablemente estará ocupada en arquitectura, paisajismo, silvicultura, planificación zoológica, botánica y otras actividades que no son repetitivas y requieren un sentido del arte y la belleza.

Nuestras nuevas opciones

Es importante darse cuenta del enorme poder de la técnica de colonización espacial. Si comenzamos a usarlo lo suficientemente pronto, y si lo empleamos sabiamente, al menos cinco de los problemas más serios que ahora enfrenta el mundo pueden resolverse sin recurrir a la represión: llevar a todos los seres humanos a un nivel de vida que ahora solo disfrutan los demás. más afortunado; proteger la biosfera del daño causado por el transporte y la contaminación industrial; encontrar un espacio vital de alta calidad para una población mundial que se duplica cada 35 años; encontrar fuentes de energía limpias y prácticas; evitando la sobrecarga del balance de calor de la Tierra.

Dudo un poco en reclamar para la colonización espacial la capacidad de resolver otro problema, uno de los más angustiosos de todos: el dolor y la destrucción causados ​​por las guerras territoriales. Los cínicos están seguros de que la humanidad siempre elegirá el salvajismo incluso cuando las presiones territoriales se reduzcan mucho. Ciertamente, las guerras maníacas de conquista no han sido básicamente territoriales. Sin embargo, tengo más esperanza; Creo que hemos comenzado a aprender un poco en las últimas décadas. La historia de los últimos 30 años sugiere que la guerra en la era nuclear está fuertemente, aunque no totalmente, motivada por conflictos territoriales; batallas por terrenos limitados e improrrogables.

Desde el punto de vista del control internacional de armamentos, vienen a la mente dos motivos de esperanza. Ya tenemos un tratado internacional que prohíbe las armas nucleares desde el espacio, y las colonias pueden obtener toda la energía que puedan necesitar de la energía solar limpia, por lo que las tentaciones que presentan los subproductos de los reactores nucleares no tienen por qué existir en las comunidades espaciales.

Para ilustrar el poder de la colonización espacial en una situación específica y calculable, rastreamos la evolución de un ejemplo del peor de los casos: supongamos que la tasa actual de aumento de la población continuara en la Tierra y en las colonias espaciales. En ese caso, la población humana total aumentaría 20.000 veces en poco más de 500 años. La colonización del espacio absorbería incluso un crecimiento tan enorme, como veremos en nuestros cálculos.

El volumen total de material necesario en una comunidad de tamaño completo es de 1,4 x ^{10 9} metros cúbicos, y se estima que el material disponible en el cinturón de asteroides (a partir del cual se construirán las comunidades posteriores) es de 4 x 10 ¹⁷ metros cúbicos, aproximadamente uno veinte -quinientosima parte del volumen de la Tierra. Para una población mundial actual de 3.9 x 10 ⁹ personas y una tasa de crecimiento [ ref 7 ] de 1.98% por año (el promedio de 1965-71), el material de asteroides duraría 500 años, lo que corresponde a un aumento de población de 20,000 veces a bajas densidad de población.

En la figura 4, vemos el desarrollo de este problema del peor de los casos. Para acelerar la solución de ese problema, se toma como límite ecológico la densidad de población inicial de la comunidad espacial; el número máximo de personas que se pueden mantener con alimentos cultivados dentro de las comunidades, con agricultura convencional. Richard Bradfield ha cultivado lo suficiente para alimentar a 72 personas por hectárea mediante las técnicas de doble siembra y cultivo múltiple, y con el uso de esquejes para la alimentación del ganado. Estos resultados [ref 8], tal como se publicaron y también me los describió Bradfield, se obtuvieron en Filipinas, que tiene solo una temporada de crecimiento de nueve meses y condiciones climáticas menos que ideales. Cálculos basados ​​en sus cifras, pero asumiendo una temporada ideal de doce meses, indican que las colonias deberían poder sustentar a 143 personas por hectárea con una dieta de 3000 calorías,referencia 9 ]. Gran parte de la proteína provendría de las aves y el cerdo. Los dos cilindros principales del Modelo 1 deberían poder soportar hasta 10.800 personas, y el límite ecológico correspondiente para una comunidad de tamaño completo sería de 20 millones de personas. En este límite, todos los colonos tendrían un alto nivel de vida, pero en condiciones de vida en casas de apartamentos, con vistas a las tierras de cultivo. Para un límite comunitario de 13 millones de personas, los cilindros principales podrían mantenerse libres de agricultura.

Figura 4. Eficacia de la colonización espacial para resolver un problema hipotético de crecimiento de la población en el “peor de los casos”. El caso considerado no supone ninguna reducción de la tasa de crecimiento de la población ni en la Tierra ni en las colonias espaciales. Aquí P _E es la población de la Tierra, P _S la del espacio y A _S /A _E la relación entre la superficie terrestre en el espacio (toda utilizable) y la superficie total de la Tierra. Tanto P _E como P _S /A _S alcanzan valores estables y relativamente bajos. Los cambios dentro de amplios límites en los números de entrada asumidos no afectan el alcance de una solución estable, ni afectan los valores finales estables de P _E y P _S /A _S. Esta cifra es un ejemplo del poder de la colonización espacial, no una predicción.

Entonces, alrededor de 2050, la figura 4 indica que la emigración a las colonias podría revertir el aumento de la población de la Tierra, y que la aceleración de la solución podría ser dramáticamente rápida: en menos de 30 años, la población de la Tierra podría reducirse de un pico de 16.5 mil millones de personas a cualquier valor estable que se desee. He sugerido 1200 millones como un posible óptimo; corresponde al año 1910 en la historia de la Tierra. La reducción de la densidad de población en las comunidades espaciales podría ser igualmente rápida y, dentro de otros 40 años, las nuevas construcciones podrían reducir las comunidades a una densidad estable de 1,43 personas por hectárea, aproximadamente una centésima parte del límite ecológico. La superficie terrestre total de las colonias sería entonces más de tres veces la de la Tierra.

Podemos esperar que, en contraste con este ejemplo del peor de los casos, se logre algún progreso hacia el crecimiento demográfico cero [ ref 10 ] en los próximos 75 años. Cualquier progreso de este tipo acelerará la solución, reducirá el pico de población de la Tierra y acelerará el día en que las densidades de población en la Tierra, así como en las colonias, puedan reducirse a un valor óptimo.

Construyendo la primera colonia

Una propuesta responsable para comenzar la construcción de la primera colonia debe basarse en una demostración, con cierto detalle, de un plan viable con estimaciones de costos realistas. Hago hincapié en dos puntos sobre cualquier plan de este tipo: los detalles presentados deben considerarse simplemente como una prueba de existencia de viabilidad; y muchas variaciones son posibles. El diseño óptimo y el curso de acción solo se pueden decidir después de un estudio y consulta entre expertos en varios campos.

Los valores nominales para la primera colonia modelo se toman como: fuerza de construcción, 2000 personas; población, 10.000; masa total, 500.000 toneladas. Cuando el diseño y el análisis de costos se realizan en detalle para toda la empresa, la necesidad de ajustarse a un presupuesto puede obligar a una cierta reducción de tamaño. Las estimaciones iniciales tenían como objetivo mantener el costo igual al de un proyecto que ya hemos llevado a cabo: Apolo. La elección de 10.000 como población objetivo asegura que, incluso con alguna reducción, el Modelo 1 será lo suficientemente grande para obtener economías de escala y servir como una base industrial efectiva para la construcción del Modelo 2. Un proyecto de colonización muy reducido sería poco más que una estación espacial renombrada, tal vez capaz de mantenerse pero incapaz de construir los modelos más grandes que son necesarios si el programa finalmente se sostiene a sí mismo.

En última instancia, la colonización podría tener lugar en toda la esfera, de 3 x 10 ¹⁷ km ² de área, que rodea al Sol a la distancia que hemos evolucionado para preferir (la llamada «esfera de Dyson»). Para la primera colonia, probablemente sea mejor elegir un punto particular en esa esfera, dentro del alcance tanto de la Tierra como de la Luna, no tan cerca como para ser eclipsado con frecuencia, y preferiblemente estable contra los desplazamientos en las tres coordenadas. Los puntos de libración de Lagrange L4 y L5 cumplen todas estas condiciones. Tienen la ventaja adicional de formar solo un pozo de potencial efectivo muy poco profundo [ ref 11 ].

La Tierra, la Luna, el Sol y la colonia forman un problema gravitacional restringido de cuatro cuerpos, para el cual la solución completa solo se ha encontrado en los últimos años [ ref 12 ]. El movimiento estable es una órbita cuasielíptica, de grandes dimensiones, alrededor de L5. Las excursiones máximas en arco y radio son varias décimas de la distancia Tierra-Luna. En la órbita estable hay espacio para varios miles de colonias; pasará mucho tiempo antes de que la colonización pueda llenar una órbita tan grande.

Minimización de costos

Hay varios problemas clave involucrados aquí, cada uno de los cuales parece dar lugar a una solución eficiente en principio: reducir el costo de envío de carga desde la Tierra a L5, el sitio de la colonia; minimizar la masa necesaria de la Tierra; diseñar un dispositivo para la transferencia de materiales de bajo costo desde la Luna a L5.

El primer problema fue considerado por Robert Wilson (NASA), Eric Hannah y George Hazelrigg (Princeton) en una reunión celebrada el 9 y 10 de mayo en Princeton ( se publicarán las actas de esta reunión). Su conclusión fue que el mejor método durante la década de 1980 probablemente serán los cohetes químicos convencionales, específicamente, los motores de alta calidad que ya se están desarrollando para el transbordador espacial. Entre varias variaciones posibles, la característica común era la reutilización, y los costos estimados para el envío variaron de $ 190 a $ 400 por libra, en dólares de 1972. La tabla de resumen de costos (Tabla 4) por lo tanto asume $425 por libra.

Para reducir la masa necesaria de la Tierra, la mayoría de los elementos estructurales repetitivos (aluminio) y los paneles de las ventanas (vidrio) deben fabricarse en L5 a partir de material lunar. Se logra otro ahorro importante al obtener el 89% de la masa de agua necesaria del oxígeno en los abundantes óxidos de la superficie lunar, trayendo solo el 11% de la masa de agua como hidrógeno líquido de la Tierra. De la masa total de 500.000 toneladas (ver Tabla 2) para la colonia Modelo 1, el 98% se puede obtener de la Luna. Los elementos más necesarios son el aluminio, el titanio, el silicio y el oxígeno. El suelo de la superficie lunar se puede utilizar para la agricultura, con la adición de nitratos y pequeñas cantidades de oligoelementos. Las 10000 toneladas restantes deben venir de la Tierra.

Tabla 2. Masas de Materiales Requeridas para el Modelo 1 (Toneladas Métricas)

*Incluye reservas renovables que se utilizarán para iniciar la construcción del Modelo 2 y, por lo tanto, son superiores a los mínimos requeridos para el Modelo 1.
**Para una planta de 100 MW.

Para llevar el costo total dentro de límites prácticos, debemos desarrollar un método de bajo costo para transportar materias primas desde la Luna hasta el sitio de construcción. La discusión de los métodos de transporte debe tomarse como una prueba de existencia más que como un diseño detallado. Es muy posible que existan mejores métodos que los que he considerado; sin embargo, es suficiente mostrar dos soluciones que parecen viables. Ambos utilizan las dos grandes ventajas del entorno lunar: un excelente vacío y una velocidad de escape muy baja, alrededor de 1,5 millas por segundo, menos de una cuarta parte de la velocidad de escape de la Tierra. Llevar un kilogramo a L5 desde la Luna requiere menos del 5% de la energía necesaria para llevar un kilogramo desde la Tierra.

Ambos métodos asumen energía eléctrica de una planta de energía eléctrica de vapor convencional que usa energía solar, y ambos asumen que el sistema funciona solo durante el día lunar, y la noche se usa para el mantenimiento programado, el descanso de la tripulación y posiblemente el procesamiento de materiales. También he asumido otro factor de dos perdido por averías del sistema. Entonces, en general, se supone que cada sistema está funcionando solo una semana de cada cuatro.

El primer método, llamado «RPL» para lanzador rotatorio de perdigones, es un dispositivo simétrico similar a una hélice de dos brazos, que funciona a velocidad constante. (Consulte el recuadro [a continuación] para obtener una descripción). Para transferir 500 toneladas en seis años, se necesitarían alrededor de 26 RPL de este tipo, para una potencia total de 32 MW. La dirección precisa se lleva a cabo mediante un sistema de placa deflectora electromagnética lineal después del lanzamiento, para mantener baja la dispersión de los gránulos y permitir una recogida fácil.

Lanzador de perdigones rotativo

Se supone que el lanzador giratorio es un dispositivo similar a una hélice de dos brazos simétricos, que funciona a velocidad constante, con brazos de lanzamiento de diez metros de radio.

Masa: 10 toneladas

Tasa de rotación: 2300 rpm

Velocidad punta: 2400 m/seg (velocidad de escape)

Potencia: 1600 caballos de fuerza

La tasa de transferencia por lanzador es de 3250 toneladas por año para la transferencia de gránulos de 5 g, suponiendo un ciclo de trabajo del 25 %. La relación fuerza-masa para el lanzador está dentro del rango alcanzable por la tecnología de filamento de boro: Se calcula que una matriz de aluminio que contiene boro cultivado en núcleos de tungsteno tiene un límite elástico de 322,000 psi y una densidad promedio de 4.1, de modo que

r/ T = 1,85 x 10 ^-6

Aquí ρ es la densidad y T la tensión en unidades MKS. Para una tensión uniforme, la relación entre los radios de los brazos en la base y la punta r _​​1 y r ₂ ) es

Iniciar sesión r ₁ / r ₂ = (ρ / 4 T ) v ²

donde v es la velocidad de escape. Para r ₁ / r ₂ menor que 50, ρ/ T debe ser menor que 2.08 x 10 ^-6 .

El método alternativo, denominado “TLA” por acelerador lineal de transporte, utiliza la tecnología de levitación magnética dinámica y el motor síncrono lineal. El TLA es un sistema de recirculación de pequeños vehículos pasivos (cubos), cada uno de los cuales no tiene partes móviles pero contiene bobinas superconductoras. El cubo acelera una carga útil de 9 kg para escapar de la velocidad a lo largo de una pista sincrónica lineal de levitación magnética. Luego, la desaceleración libera la carga útil, el balde reduce su velocidad a una velocidad moderada y vuelve a circular para recibir otra carga útil. La tabla 3 muestra algunos parámetros de la guía. La masa estimada es de 1500 toneladas, de las cuales alrededor del 80 % corresponde a equipos de generación y manejo de energía. En seis años, funcionando el 25% del tiempo, el TLA puede transportar más de 300 veces su propio peso. (Para una breve bibliografía de los primeros trabajos sobre las posibilidades del lanzamiento electromagnético,referencia 13 .)

Tanto RPL como TLA pueden tener aplicaciones eventuales como motores de reacción energéticamente eficientes de alto rendimiento que funcionan con energía solar y pueden usar cualquier tipo de desechos de asteroides como masa de reacción. Podrían impulsar cargas útiles muy grandes en el rango de un millón de toneladas o más, entre el cinturón de asteroides y el sitio L5.

La colonia del Modelo 1 será demasiado pequeña para llevar a cabo una amplia variedad de procesos de fabricación, pero puede realizar aquellas tareas que requieren mucha energía, no mucha mano de obra, y que producirán un gran retorno en el tonelaje total. Un ejemplo es la producción de aluminio por el proceso Hall. Una capacidad instalada de 40 MW es suficiente para producir 20.000 toneladas de aluminio en dos años, para la exoestructura del Modelo 1. Otro ejemplo es la separación del oxígeno de los óxidos lunares para combinarlos con el hidrógeno traído de la Tierra. (Con 50.000 toneladas de agua, el Modelo 1 puede tener una vegetación exuberante, así como arroyos y lagos pequeños). En contraste, las partes pequeñas y de baja masa se traen mejor de la Tierra.

Las colonias posteriores, quizás comenzando con el Modelo 3, utilizarán material de asteroides, que es rico en hidrocarburos y en metales. Podemos especular que, relativamente temprano en el desarrollo de las colonias, la economía del transporte de carga probablemente dictará que los envíos «hacia arriba» desde la Tierra consistirán solo en personas y productos miniaturizados que requieren mucha mano de obra, como computadoras y calculadoras. Los costos de envío «a la baja» pueden ser menores debido a la posibilidad de frenado atmosférico. Entre colonias, todos los gastos de envío y viaje deberían ser muy bajos. Para el Modelo 1, el costo del proyecto se resume en la Tabla 4. A modo de comparación, el proyecto Apolo costó alrededor de 33 mil millones (1972) de dólares.

Cuadro 4. Costo estimado de la construcción de colonias espaciales (en dólares de 1972)

*El ahorro de costos debido a la presencia del Modelo 1 se puede dividir de la siguiente manera: producción, 25,000 lbs/hombre-año; plantilla, 4000 personas; costos de transporte, $250/lb. El ahorro durante los ocho años necesarios para completar la colonia es, por lo tanto, un total de $200 x 10 ⁹ .

También podemos ver en la Tabla 4 que la recompensa económica de la construcción de la primera comunidad llegará rápidamente, durante la construcción de la segunda. Esa recompensa será en forma de costos de transporte ahorrados porque las herramientas y las estructuras fabricadas se fabricarán con material lunar en la Comunidad 1 en lugar de en la Tierra. Aparentemente, la primera colonia puede pagarse por sí misma en uno o dos años y, por su presencia, puede mantener el costo anual de construir la Comunidad 2, con sus 100,000 a 200,000 personas, aproximadamente al mismo nivel que para la Comunidad 1. Después de eso, los costos de construcción para los modelos 3, 4, etc., deberían disminuir a medida que la industria espacial se fortalece y se utiliza la amplia gama de elementos químicos en los asteroides.

Podemos especular que la segunda o tercera colonia puede comenzar a pagar su costo de construcción de formas adicionales, por ejemplo, mediante la fabricación de monocristales de alta resistencia [ ref 14 ] en el entorno de gravedad cero y alto vacío que la rodea, y mediante la fabricación de productos de titanio.

Seguir la economía hasta el Modelo 3 sería demasiado especulativo; sus costos para la Tierra serán principalmente los de transportar a sus uno o dos millones de habitantes a L5. Su fecha de finalización más temprana posible se estima justo después del cambio de siglo (28 años hacia adelante en el tiempo; retrocediendo la misma cantidad de años nos lleva a la era del cohete V2, más de diez años antes del primer satélite artificial). Alrededor del año 2000, un sistema de cohetes químicos totalmente reutilizable podría transportar cargas útiles a L5 a un costo de alrededor de $ 100 por libra (nuevamente, en dólares de 1972). Por lo tanto, un posible colono podría ahorrar suficiente dinero (el salario de uno o dos años) para emigrar con su familia de tres. La casi certeza de los continuos avances en los sistemas de propulsión sugiere que los costos reales serán menores.

A mediados del próximo siglo, y posiblemente antes, los costos de producción en L5 deberían ser más bajos que en la Tierra. Mis razones para esta creencia son que:

• el cinturón de asteroides es una rica fuente de materias primas, ya expuestas y diferenciadas.
• el transporte desde el cinturón hasta L5 se puede realizar de manera análoga al transporte marítimo en la Tierra; es decir, en unidades muy grandes, con bajo costo de combustible y tripulaciones muy reducidas. En el espacio, puede ser más práctico eliminar por completo los cascos de los cargueros. Un motor de reacción tipo TLA puede funcionar con energía solar gratuita y transportar un asteroide completo a L5, quizás sin tripulación alguna.
• los costos de cultivo de alimentos, los costos de producción y los costos de envío entre las comunidades deberían ser más bajos que en la Tierra debido a las condiciones de cultivo ideales, la proximidad de las granjas a los consumidores, la disponibilidad de energía solar ilimitada y la conveniencia de entornos de gravedad cero y alto vacío para producción y transporte.

Si somos tan pródigos como para recorrer todo el material del cinturón de asteroides en los próximos 500 años, incluso podemos ganar otros 500 años utilizando las lunas de los planetas exteriores. Mucho antes de eso, espero que hayamos ralentizado el crecimiento de la población humana. Y estoy seguro de que mucho antes de eso, una versión modificada de una comunidad espacial habrá viajado a una estrella cercana.

Me quedo con el deseo de comunicar dos aspectos de esta obra de forma más completa. Por un lado, me gustaría mostrar para su revisión más detalles de cálculos y referencias de lo que es posible aquí. Y por otro lado, soy muy consciente de la necesidad de una discusión fuera de nuestro propio grupo de personas orientadas a la física. Este trabajo debe ser discutido y debatido lo más ampliamente posible, por personas con una variedad de talentos técnicos y artísticos, y por personas que no reclaman ningún talento especial más allá de la capacidad de trabajar duro por un objetivo que vale la pena. Espero haber transmitido al menos un poco de la sensación de entusiasmo que he disfrutado en los últimos años a medida que cada problema serio parecía dar paso a una solución, así como cuánto más queda por hacer y cuánta necesidad hay. es para las buenas ideas y el trabajo duro.

Por las comunicaciones privadas que llevaron a las referencias, agradezco a Donald Gault, Barry Royce, Richard Johnson, George Hazelrigg y John Breakwell. Y es un placer especial agradecer a quienes me animaron a continuar con este trabajo en los años en que era poco conocido, en particular a George Pimentel, Freeman Dyson, Brian O’Leary, Roman Smoluchowski, Richard Feynman y John Tukey. También estoy agradecido a Michael Phillips de Point Foundation, que apoyó la primera reunión pública sobre este tema.