Was ist die logischste Form für meine Stadt im Weltraum (Raumstation)?

Die Rohrform ist die beste Wahl

Raumstationen sind teuer in der Herstellung, daher wird es eine starke Präferenz geben, Formen zu wählen, die ihre Ziele effizient erreichen.

Eines der Ziele einer Raumstation ist die Schwerkraft. Die meisten Sci-Fi-Bücher entscheiden sich für eine Quelle einer schwerkraftähnlichen Kraft, weil es einfach zu viele Beweise dafür gibt, dass Menschen ohne sie nicht gut auskommen. Abgesehen von fiktiven Schwerkraftmaschinen ist die Zentripetalbeschleunigung die einfachste Antwort.

Die Zentripetalbeschleunigung hat einen interessanten Fehler. Wie in Rendevouz mit Rama besprochen , verursacht jede Rotation auch den lästigen Cousin der Zentripetalbeschleunigung, den Coriolis-Effekt. Das menschliche Gehirn scheint damit Probleme zu haben (obwohl es wenig Forschung darüber gibt, wie wir damit umgehen würden, wenn wir auf einer Station aufwachsen würden). Die Lösung besteht immer darin, die Winkelgeschwindigkeit langsam zu halten, um Coriolis zu minimieren. Das bedeutet große Radien, um die gewünschte „Schwerkraft“ zu erreichen.

Für die kleinsten Stationen dieser Art sind Ringe beliebt. Es ist üblich, viel Platz bei einer gemeinsamen G-Kraft haben zu wollen, so dass ein Großteil Ihrer Station auf einem Radius vom Rotationszentrum liegen sollte. Dies minimiert Materialien pro Volumen bei 1 G. Oft wird dies durch "Aufzüge" unterstützt, die durch das Rotationszentrum gehen, um die lange Strecke entlang des Rings kurzzuschließen.

Da der Bahnhof größer wird und der Transit immer mehr zu einem Problem wird, besteht der Wunsch, in eine zweite Richtung zu expandieren. Der Ring wird breiter und wird zu einer gedrehten Ellipse anstelle eines gedrehten Kreises, der eher wie ein Armbanduhrarmband aussieht. Dieser Übergang von "Raumvolumen auf 1 G maximieren" zu "Raumvolumen bei 1 G mit dem Abstand zwischen Punkten in der Stadt ausgleichen" trennt die einfachen Ringe von diesen erweiterten Ringen.

Irgendwann wird der Ring so breit, dass eine andere Form übernimmt: das zylindrische Rohr. Ein Ring muss allseitig druckfeste Werkstoffe halten. Anfangs ist dies effizient, aber wenn der Ring breit genug wird, sieht es so aus, als ob zusätzliches Material abgeworfen werden müsste. Die Station sieht aus wie {Wand} Druckraum {Wand} Vakuum-in-der-Mittelachse {Wand} Druckraum {Wand}. Tatsächlich sieht es aus wie ein Zylinder, aber ohne Endkappen und Doppelwände auf dem Rest. Wenn Sie die Endkappen häuten und den gesamten Bereich unter Druck setzen, können Sie die Hälfte der Wände eingraben. Wenn der Ring breit ist, kann dies ein erheblicher Segen sein.

Arthur C. Clarkes Rama hatte diese Form und Größe. Es war 54 km lang und hatte einen Durchmesser von 20 km und drehte sich mit einer Periode von 4 Minuten pro Umdrehung. Es ist eine angemessene Größe für ein Stadtraumschiff.

Von diesen Formen fehlt auffällig die Kugel. Dies liegt an dem Wunsch, über große Flächen eine konstante „Schwerkraft“ zu haben. Kugeln eignen sich hervorragend für Material-zu-Volumen, aber sie haben einen sich ständig ändernden Radius, wenn man die "Breitengrade" ändert, was unerwünscht sein könnte. Wenn man jedoch mit solchen unterschiedlichen Schwerkräften vertraut ist, ist die Kugel die effizienteste Form, die man haben kann

Ringförmig.

Ertragen Sie mich hier. Das wird einige Erklärungen erfordern, aber vielleicht kann ich mich selbst erklären.

Shokhet und Cort Ammon lösten das Problem, sicherzustellen, dass sich die Station richtig dreht. Ein Zylinder ist wahrscheinlich die einfachste Lösung für dieses Problem, weil er einfach zu bauen und zu warten ist. Das Problem ist jedoch, dass es bald schwierig wird, von einem Ende zum anderen zu gelangen. Wie Sie schon sagten, Cort Ammon,

Wenn der Bahnhof größer wird, wird der Transit immer mehr zu einem Problem[.]

Dies wird ein großes Problem sein, wenn Sie eine Stadt bauen wollen. Sie könnten eine scheibenförmige Station bauen (um den Rotationsaspekt und damit die Schwerkraft zu sparen und gleichzeitig einfacher von einem Ort zum anderen zu gelangen), aber dies erfordert immer noch, dass die Station groß ist. Es wird wie ein riesiger Pfannkuchen aussehen. Schließlich werden Sie es in einen Zylinder extrudieren wollen.

Meine Lösung (unabhängig von Shokhets Vorschlag und völlig anders implementiert) besteht darin, eine toroidale Raumstation zu erstellen. Dies nimmt im Wesentlichen die Zylinder von Skohet und Cort Ammon und biegt sie herum, so dass sich die Enden treffen. Voila! Sie können sich leicht fortbewegen. Der Grund, warum toroidale Raumstationen so beliebt sind, ist, wie Shokhet sagte, dass man sie entlang einer Achse drehen kann, die durch die offene Mitte des Torus verläuft. Meine Vorstellung ist etwas anders.

Der Querschnitt eines Torus ist ein Kreis. Sie können einen Torus ziemlich einfach bilden, indem Sie einen Kreis auf der kartesischen Ebene zeichnen und ihn um eine Linie drehen (Sie können seine Eigenschaften mit einem Kalkül berechnen). Der Punkt ist jedoch, dass Sie einen Torus in eine Reihe von Kreisen aufteilen können. Dies kann ausgenutzt werden, um künstliche Schwerkraft zu erzeugen. Anstatt die gesamte Raumstation um eine Achse zu drehen, würde ich viele kleinere kreisförmige Segmente entlang einer Achse drehen, die durch die Mitte jedes Segments geht. Dies würde künstliche Schwerkraft entlang aller Seiten des Torus erzeugen. Das Drehen eines Torus um seinen Mittelpunkt würde diesen Effekt nicht erzeugen, da „oben“ und „unten“ nicht beeinflusst würden. Der Vorteil dieses Designs besteht darin, dass es eine künstliche Schwerkraft erzeugtTeile der Oberfläche - was notwendig ist, um alle in eine stadtgroße Raumstation zu passen!

Die Idee hat natürlich ihre Vor- und Nachteile.

Vorteile:

• Künstliche Schwerkraft, wo immer Sie wollen. Ich treibe diesen Punkt wirklich voran, aber es gibt noch einen weiteren Vorteil: Sie könnten jedes Segment mit unterschiedlicher Geschwindigkeit drehen und so unterschiedliche Schwerkraft (oder überhaupt keine Schwerkraft) bereitstellen. Denken Sie darüber nach, wie nützlich dies für eine Raumstation wäre, die viele verschiedene außerirdische Rassen enthält. Jeder ist an einen Planeten mit einem anderen Gravitationsfeld gewöhnt. Wenn Sie eine Raumstation mit einer Stärke künstlicher Schwerkraft haben, wären die meisten unglücklich. Hier wird dies behoben. Hinweis: Sie könnten eine zylindrische Station genauso einfach auflösen.
• Man kommt ziemlich leicht überall hin. Ein Teil meiner Motivation für diese Konfiguration war, dass man nicht einfach von einem Punkt an einem Ende einer zylindrischen Raumstation zu einem anderen gelangen kann. Dies könnte natürlich durch Planung gelöst werden - das heißt, die Station so zu gestalten, dass die Leute von einem Ende nicht zum anderen gehen müssen. Aber es ist wahrscheinlich am besten, alle Bereiche gleichermaßen zugänglich zu machen. An dieser Station müssen Sie nur durch die Mitte jedes Segments fahren, um von einem Punkt zum anderen zu gelangen. Sie könnten die zentrale Lücke auch überbrücken, indem Sie "Brücken" von jedem Segment zum anderen erstellen.
• Es ist kompakt. Angenommen, Sie möchten eine zylindrische Raumstation mit einer Oberfläche von 10 Kubikmeilen bauen. Sie möchten auch einen Radius von einer halben Meile, um es einfach zu machen, die gewünschte künstliche Schwerkraft zu erzeugen. Die Formel für die Oberfläche eines Zylinders lautet$V=2 \pi r^2 + 2 \pi r h$; etwas Algebra lässt uns mit$h=\frac{10 - 0.5 \pi}{2 \pi (0.5)}= 2.68$Meilen. Das ist ziemlich lang. Ein Torus mit gleicher Fläche ist etwas kürzer. Die Formel für die Oberfläche eines Torus ist$4 \pi ^2 (Rr)$, wo$R$ist der Radius eines Kreises, dessen Umfang der Höhe eines Zylinders entspricht und$r$ist der Radius eines kreisförmigen Querschnitts. Dies wird in dieser Grafik besser erklärt :

$R$ist der Radius des rosa Kreises;$r$ist der Radius des roten Kreises. Legen wir fest$r$bis 5 und finden

Nachteile:

• Nicht einfach zu bauen. Aufgrund ihrer gekrümmten Seite(n) ist es schwierig, einen Kreis oder einen Zylinder zu bauen. Bei einem Torus ist das noch schwieriger, weil er viele gekrümmte Seiten hat. Es ist sehr unregelmäßig. Am besten bauen Sie es in den Segmenten, die zur Erzeugung künstlicher Schwerkraft verwendet werden.

Ehrlich gesagt denke ich, dass hier die Vorteile die Nachteile überwiegen.

Lassen Sie mich abschließend auf einige der spezifischen Dinge eingehen, die Sie in Ihrer Frage erwähnt haben.

Hängt es davon ab, was es oben im Orbit ist (wenn überhaupt)?

Aus logistischer Sicht lautet die Antwort ja. Sie müssen jede Station, die nicht autark ist, neu versorgen. Dies ist jedoch einfach ein Problem für alle vorgeschlagenen Ideen, nicht nur für diese. Und es kann vermieden werden, indem die Station vollständig autark gemacht wird. Ich bin hier absichtlich vage, weil es viele Faktoren gibt, die zur Lösung dieses Problems beitragen würden.

Berücksichtigen Sie in Ihrer Antwort bitte Faktoren, die sowohl in den Bau als auch in die Wartung einfließen. Wenn eines teurer im Bau, aber günstiger im Unterhalt wäre, dann ist es möglich, dass es am Ende immer noch besser ist.

Ich glaube nicht, dass es zwischen den verschiedenen Ideen eine große Kostenänderung geben würde. Du brauchst$X$Dollar/Pesos/Pfund/Yen/Euro, um eine Station mit einer bestimmten Fläche zu unterhalten. Leider müssen alle diese Stationen mit künstlicher Schwerkraft die gleiche Oberfläche haben, also wird sich das nicht ändern.

sagte Peteris kürzlich

Ähm, wie schlagen Sie vor, Abschnitte eines Torus zu drehen? Ein Torus kann nicht aus zylindrischen Segmenten ohne Lücken oder Überlappungen bestehen; In einem Torus ist der "innere" Teil jedes Abschnitts schmaler als der äußere und kann sich nicht entlang des roten Kreises in Ihrer Zeichnung drehen.

Ich habe völlig vergessen, diesen Teil zu erklären. Meine "toroidale" Raumstation wäre kein perfekter Torus. Wie gesagt, es würde aus Segmenten bestehen. Ich habe jedoch nicht erklärt, dass die Segmente näher an Zylindern liegen als Scheiben eines Torus. Denken Sie an kleine zylindrische Teile, die durch Keile verbunden sind. Jedes Stück dreht sich und erzeugt eine künstliche Schwerkraft. Der Torus ist nicht perfekt; es ist eine Annäherung.

Warum würden Sie einen Ring (oder Torus) einem Rohr (oder Zylinder) vorziehen? Erstens würden Sie eine der anderen Formen vorziehen, weil sie sich drehen. Wenn Sie sich nicht drehen, haben beide Formen keinen Sinn. Deshalb ist die Internationale Raumstation (ISS) weder Röhre noch Ring. Es sind nur ein paar Module, die zusammengeklebt sind. Es ist ein bisschen näher an einer Röhrenform, aber es hat eigentlich eher die Form einer Reihe von Gebäuden, die durch Tunnel verbunden sind. Der Hauptgrund für die Wahl eines Rings oder einer Röhre ist also, dass Sie sie drehen können.

Der fiktive Deep Space 9 (DS9) hat als Beispiel die gleichen Probleme wie die ISS. Es sieht ein bisschen aus wie ein Ring, ist aber eigentlich keiner. Die Menschen leben im Zentrum von DS9, nicht an den Rändern. Dies liegt daran, dass DS9 sich nicht drehen muss, um Schwerkraft zu erzeugen. Es hat eine künstliche Schwerkraft, die auf eine Weise funktioniert, die unserer Physik unbekannt ist. Wenn wir ringförmige Weltraumlebensräume bauen, ist es unwahrscheinlich, dass sie wie DS9 aussehen werden. Sie haben mehr an den Rändern und weniger in der Mitte.

Der Hauptvorteil eines Rings besteht darin, dass er bei gleichem Radius kleiner sein kann als ein Rohr. Sie möchten den Radius maximieren, da die Schwerkraft durch die Illusion der Zentrifugalkraft erzeugt wird, dh Kraft weg vom Zentrum des Spins. Dies ist eigentlich eine fiktive Kraft, da die realen Kräfte Trägheit (in Richtung des Spins) und Zentripetalkraft (vom Boden, der Sie daran hindert, der Trägheitskraft zu folgen) sind. Durch die Vergrößerung des Radius werden die Nebenwirkungen des Spins (z. B. der Coriolis-Effekt) reduziert. Bei einem kleinen Radius ändert man ständig die Richtung. Ein größerer Radius macht die Richtungsänderung allmählicher.

Es ist einfacher, einen Ring zu machen, der weniger Atmosphäre verbraucht. Sie können ein Rohr mit einem anderen Rohr darin herstellen, aber für einen ähnlichen Materialaufwand könnten Sie einen Ring mit größerem Radius herstellen. Die Ringe werden im Allgemeinen mit einem Zentrum gezeigt, das entweder hohl ist oder Speichen enthält. Man könnte statt eines Rings auch eine Scheibe machen, aber das hätte viel ungenutzte Atmosphäre in der Mitte. Wir können vermuten, dass Ringe in der Atmosphäre billiger sind, während Zylinder im Strukturmaterial billiger sind.

Es gibt Grund zu der Annahme, dass Strukturmaterial im Weltraum leichter zu beschaffen ist als in der Atmosphäre. Insbesondere können wir den Asteroidengürtel nach Strukturmaterial abbauen, während wir Kometen, Monde oder Planeten für die Atmosphäre abbauen müssten. Venus ist nach der Erde der nächste Planet. Alles andere ist auf Jupiters Umlaufbahn oder weiter entfernt. Kometen können näher kommen, aber sie sind klein und bewegen sich vergleichsweise schnell. Wir würden also viel Energie aufwenden, um die Geschwindigkeiten anzupassen. Die Saturnringe könnten die beste Quelle sein, aber sie sind weit entfernt und teilweise noch in der Gravitationsquelle.

Der Ring sorgt für mehr Struktur. Beachten Sie, dass die Drehung Objekte am meisten betrifft, die am "Boden" oder Boden befestigt sind, dann Objekte, die auf dem Boden ruhen, und Dinge wie die Atmosphäre am wenigsten beeinflusst. Das offensichtliche Ergebnis wäre, dass die Seite eines Gebäudes, die in den Spin zeigt, eine dickere Atmosphäre hätte als die Seiten oder der Lee-Teil. Wie problematisch wird das sein? Welche Wetternebenwirkungen würden auftreten?

Es wäre einfacher, einen Aufzug von Punkt zu Punkt auf einem Ring zu fahren, da dort bereits eine Struktur vorhanden ist (die Speichen des Rings). Schwieriger wäre es mit einem Zylinder, da müsste man die Struktur für den Aufzug erstellen. Zylinder sind jedoch kompakter, daher kann es einfacher sein, eine kürzere Bahn entlang der Kante eines Zylinders zu führen, als durch die Mitte eines Rings. Sie könnten auch in einem Zylinder fliegen.

Ein Ring wäre wahrscheinlich gezwungen, künstliches Licht zu verwenden. Ringe haben zu viel Struktur, um gut mit Fenstern zu funktionieren. Ein Zylinder kann so konstruiert werden, dass Fenster regelmäßig Licht einlassen. Leider unterstützt ihre Rotationsgeschwindigkeit keinen Tag/Nacht-Zyklus, daher ist unklar, ob wir dies tun würden. Wir können vielleicht einen Nachtzyklus geben, indem wir die Fenster "schließen". Dies ist entweder ein Vorteil von Zylindern oder irrelevant. Vielleicht verwenden beide künstliche Beleuchtung.

Die wahre Wahrheit ist, dass wir nicht wissen, ob wir einen Ring einem Zylinder vorziehen würden. Leider hatten wir nie die Ressourcen, um eines von beiden auszuprobieren. Unsere aktuelle Internationale Raumstation hat keine künstliche Schwerkraft. Wir haben kein wirkliches Verständnis dafür, wann die Einfachheit des breiteren Rings des Zylinders den Vorteil einer Verringerung der Nebenwirkungen durch einen größeren Radius aufwiegt. Wir haben keine Erfahrung darüber, wie sich beides auf atmosphärische Effekte auswirken würde.

Unsere beste Vermutung ist, dass wir mit Ringen beginnen würden, da sie für kleinere Kapazitäten einfacher zu bauen sind. Als unser Bedarf zunahm, wechselten wir zu Zylindern, da es einfacher ist, sich auf ihnen von Punkt zu Punkt zu bewegen. Für etwas, das groß genug ist, um eine Stadt zu sein, ist es wahrscheinlicher, dass es zylindrisch ist. Aber das bleibt an dieser Stelle Spekulation, da wir mit beidem keine Erfahrung haben.

Ich würde vorschlagen, dass röhrenförmige Städte die bessere Einrichtung für eine Stadt wären, weil es viel einfacher wäre, in der Stadt zu reisen und Materialien zu transportieren, wenn man nur eine Reihe von Aufzügen einrichten müsste, die nach oben und unten fahren , anstelle von Karren auf einer seltsamen Strecke, die um Ihren Ring fahren.

Eine Anmerkung zum Aufbau schwimmender Städte:
Die meisten Science-Fiction-Romane, die ich gelesen habe, gehen davon aus, dass eine Torusform (ringförmig; nicht stierförmig ) die beste Anordnung für Städte im Weltraum ist, weil das Drehen um ihr Zentrum Sinn machen kann der Schwerkraft durch die Zentripetalkraft - im Grunde werden die Bewohner, wenn sich die Struktur dreht, gegen die Innenseite der Außenwand gedrückt, um die Schwerkraft zu imitieren. Dies ist auch bei einem rohrförmigen Aufbau möglich.
Aber wenn Sie die Schwerkraft wollen, stellen Sie sicher, dass sie sich dreht .

TL;DR: Weder noch. Am einfachsten wäre es, einen Asteroiden, kleinen Mond, Pseudoplaneten oder Kometen zu bevölkern.

Längere Erklärung: Raumstationen (der Zukunft in unbekannter Entfernung) werden groß sein . Und das bedeutet, dass wir Ressourcen brauchen. Und sie zu verschwenden ist keine Option. Wir können es uns nicht leisten, sie auf unserem Heimatplaneten zu verlieren. Und die benötigten Ressourcen laufen darauf hinaus, wo die Station gebaut wird.

Im Weltraum gebaut

Das bedeutet, dass wir entweder weite Strecken zurücklegen müssten, um die benötigten Materialien zu besorgen und sie zu unserer Fabrik zu bringen, oder dass wir sie von einem Planeten heraufholen müssten. In beiden Szenarien verlieren wir viel Zeit und verschwenden viele Ressourcen, nur um Halbzeuge und Teile zu transportieren.

An der Oberfläche gebaut

Egal auf welcher Oberfläche wir es bauen, wir müssen das Ganze in eine Umlaufbahn bringen oder an einen Ort, an dem es (relativ) bleibt. Wieder verschwenden wir Ressourcen. Vielleicht sogar noch mehr, da die Struktur wahrscheinlich schweben und sich selbst in Position bringen müsste.

Asteroiden bevölkern

Abhängig von den Baumaterialien können wir viele der benötigten Ressourcen vor Ort finden. Wir haben auch eine fertige Außenhülle. Und je nach Masse konnten wir es leicht drehen. Außerdem gibt es sie in verschiedenen Größen und das Bohren von Ringen und Rohren, das Abdichten der Wände mit flüssigem Beton (oder einem ähnlichen Material, das mit dem bereits vorhandenen Kies vermischt ist) könnte schnell erfolgen. So wie wir heutzutage Tunnel durch Berge bauen. Oh, und es ist leicht austauschbar , wie uns die Natur gezeigt hat.

Auf der NASA-Homepage gibt es ein interessantes Dokument für eine kleine Raumstationsstadt namens Asten. Obwohl ich nicht genug verstehe, um allen Details zu folgen, klingt es vernünftig und betrifft nicht nur die Frage der Konstruktion (Form/Materialien/usw.), sondern auch Dinge wie Infrastruktur und Versorgung der Bevölkerung.

Da ich die 93 Seiten nicht verlässlich komprimieren kann, hier ein Link:

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

Allein für die Form der Raumstation schlagen sie einen aus einzelnen Ringen aufgebauten Zylinder vor.

Ich glaube, es kommt auf die künstliche Schwerkraft an .

Ein Torus kann so eingestellt werden, dass er sich mit der richtigen Geschwindigkeit dreht. In diesem Fall würde eine Zentrifugalkraft nach außen drücken und eine falsche Schwerkraft zur Außenseite des Rings erzeugen. Die Raumstation von 2001 tut dies.

Im Fall des Zylinders könnte die Stadt, wenn sie auf dem Weg zu einem anderen System ist, mit konstant 1 G (~ 10 m / s / s) beschleunigen, und dann würde es eine künstliche Schwerkraft zum Heck des Schiffes geben. In diesem Fall könnten Böden quer zur Fahrtrichtung gestapelt werden. Diese Art von Schiff würde in Richtung seines Ziels beschleunigen und dann auf halbem Weg ein Wendemanöver durchführen und dann mit der gleichen konstanten Geschwindigkeit verlangsamen, bis es sein Ziel erreicht. Ein solches Schiff könnte mehrere Generationen im All verbringen.

IMO, das sind die beiden realistischsten Szenarien.

Alternativ könnte ein Schiff während des Transports auch auf Schleudern eingestellt werden und Böden darin haben, die so konstruiert sind, dass sie eine Krümmung aufweisen, die den ausgeglichenen Kräften irgendwo zwischen den Zentrifugalkräften und den Beschleunigungskräften entspricht.

Beachten Sie, dass die oben abgebildete DS9-Station keines davon tut und sich stattdessen auf einige andere fiktive Schwerkrafterzeugungsgeräte stützt. AFAIK, es gibt keinen bekannten Weg, eine solche Schwerkraft zu erzeugen.