Mejor respuesta
Voy a suponer que el tipo de nave espacial del que estás hablando son los tipos de la era espacial temprana. Así que agárrense en sus asientos, camiones de bomberos y recen para que no les deje boquiabiertos … Ok, solo estoy bromeando.
Stiletto UNCF
IJCF Kensai
El subsistema más importante de una nave espacial es motores. Grandes motores químicos y / o propulsores de impulsos iónicos. Si este último está presente, se requiere una fuente de alimentación. Un reactor de fisión de dióxido de carbono a alta temperatura sería suficiente. Es el más importante porque sin un motor, la nave sería simplemente una mole de metal.
Si la nave espacial va a llevar tripulación, es decir, un barco tripulado, entonces lo siguiente más importante serían los sistemas de soporte vital. Esto incluye los sistemas de generación y reciclaje de oxígeno, comida suficiente para el viaje y sistemas de ósmosis inversa para el agua. El soporte vital también incluiría blindaje contra la radiación, como aerogel para proteger a la tripulación de la radiación interplanetaria y los vientos solares. Quizás un campo magnético generado alrededor de la nave usando superconductores también funcionaría.
Los radiadores de calor también son importantes ya que evitan que el calor acumulando en el barco y matando a todos. Esto se debe a que en el espacio es un vacío. El calor no se puede desviar o convencer como en la Tierra. Solo pueden irradiar calor y la mejor manera de hacerlo es extender conjuntos de radiadores masivos para purgar todo el exceso de calor de la nave.
El siguiente sistema sería el sector de comandos. Básicamente la cabina del piloto o el puente. Aquí es donde todo el barco será comandado por su capitán. Normalmente, esta sección estaría bien en la nave para proteger al capitán de los desechos espaciales, lo que me lleva al siguiente sistema importante.
La armadura es importante en una nave espacial, incluso en naves civiles. Esto es para proteger a la tripulación y, lo que es más importante, a la carga (yay capitalistas) de ser descargada al vacío debido a una brecha en el casco debido a desechos espaciales / polvo. Verá, los escombros pueden ser pequeños, pero cualquier cosa que viaje a 5 ++ kilómetros por segundo y lo golpee le hará daño. Mucho. No hay excepciones para los barcos.
Si la misión es de larga distancia, entonces se necesita un alojamiento para la tripulación. Este es el lugar para que la tripulación descanse y se recree. Debe incluir gravedad artificial, (centrifugadoras) áreas para dormir, una cantina, ducha e inodoro. Básicamente, cualquier cosa que necesite para evitar aburrirse o morir en el vuelo de 600 días a Europa.
Esos son los básicos necesidades para una nave espacial pero, ¿cómo las alimentamos?
Simple. Los paneles solares se pueden instalar en el casco del barco, diseñados para extenderse cuando no están a la sombra de los cuerpos celestes. Proporciona suficiente energía para todo lo que sucede (con suerte) y es gratis.
Ok, estos son radiadores de calor pero tú entienda el punto.
O, si el consumo de energía de la nave es absurdamente alto, es decir, una nave militar, o sus paneles solares simplemente fueron destrozados por el polvo espacial, un reactor nuclear también funcionaría bien. El blindaje de neutrones también debe incluirse, sin él, el blindaje de radiación solar no tendría sentido. Los reactores de fisión nuclear son los únicos disponibles en este momento, así que nos quedaremos con ellos. Por lo tanto, se reservará un compartimento de carga (protegido, por supuesto) para material fisionable como plutonio o torio.
Para un buque de transporte civil, eso es todo lo que necesita. Quizás el capitán quiera un burdel a bordo, ¿quién sabe? Ese es el problema de nuestros descendientes. Sin embargo, si quieres una nave de patrulla espacial militar… ¡Bueno, esa es otra historia para otro momento!
Respuesta
Para que una ciudad espacial funcione, una ciudad adecuada, tendría que ser completamente autosuficiente, reciclar todo su aire, agua, desechos y basura, transfiriendo solo personas y energía. Todavía no hemos dominado del todo cómo hacer esto, pero nos estamos acercando. Aquí están las matemáticas que muestran cómo podría funcionar:
Un ser humano que vive según el estándar de vida estadounidense consume 300 galones de agua por día, 2800 calorías de comida y casi 0,1 kg de oxígeno por día. Junto con esto, para realizar nuestras tareas diarias, utilizamos aproximadamente 300 kW-h de electricidad. Ahora equiparando todo esto, y dado que la nave espacial es un sistema de ciclo cerrado, asumiendo que la energía se usa para desalinizar el agua, filtrar el agua, procesar los desechos, cultivar alimentos, limpiar el aire y generar electricidad, llegamos a cada persona que necesita una fuente que emite 91 kW de potencia.Este número se obtiene utilizando las siguientes eficiencias:
Purificación de agua: 100\%
Generación de alimentos: 1\%
Generación de oxígeno: 100\%
Generación de electricidad: 30\%
Ahora, dado que la colonia viaja entre estrellas, y para minimizar la cantidad de energía necesaria para mantener la colonia entre sistemas estelares, deberá viajar a una fracción apreciable de la velocidad de la luz. Usando energía nuclear de bombas nucleares, esto se exploró en el proyecto Orion, que descubrió que aceleraría una nave estelar al 1\% -4\% de la velocidad de la luz usando energía nuclear. Para llegar a Alfa Centauri, que se encuentra a 4,5 años luz de distancia, se necesitarían entre 150 y 450 años desde el Sistema Solar. Entonces, eso significa que por persona en la colonia, requeriría 1.29 PJ o 1290 TJ. Si se utiliza la fisión de uranio, con un reactor nuclear que utiliza el reprocesamiento del combustible gastado y la energía de los radioisótopos, se obtiene una masa mínima de 16,5 kg de uranio por persona, para su uso únicamente como soporte vital.
A continuación, viene el tamaño de las viviendas, las instalaciones de producción de alimentos, las instalaciones de procesamiento de agua y las instalaciones de procesamiento de aire, sin mencionar la propulsión primaria y la estructura de la colonia. Para tener un barco de tamaño cómodo, cada persona necesitaría tener acceso a aproximadamente 2000 pies cuadrados, o 200 metros cuadrados de espacio habitable. La producción de alimentos puede representar el 10\% de ese espacio, y también puede servir como un buen lugar de relajación y descanso. (La razón por la que esto se puede hacer es que con la agricultura vertical el espacio 3D se usa para hacer alimentos, reduciendo la huella en el área). El procesamiento del agua y el procesamiento del aire se pueden realizar parcialmente en el área de producción de alimentos, pero también en un área separada de la colonia, ocupando otros 100 metros cuadrados.
Ahora llegamos a la masa del barco. Para ello, necesitamos algunas cifras de potencia específicas para calcular esto rápidamente. Estas son las potencias específicas actuales para varios sistemas, junto con el porcentaje de potencia utilizada para cada función:
Procesamiento de agua: 1 kW / kg, consumo de energía Porcentaje: 39,3\% Uso de energía: 35,8 kW
Producción de alimentos: 100 W / kg, Porcentaje de consumo de energía: 14,9\% Uso de energía: 13,59 kW
Procesamiento de aire: 1 kW / kg, Porcentaje de uso de energía: 0.01\% Uso de energía: 0.0101 kW
Consumo de electricidad: 1 kW / kg, Porcentaje de uso de energía: 45,7\% Uso de energía: 41 kW
El soporte vital total la masa llega a 91,01 kg por persona. Ahora, la masa de la planta de generación de energía es alta, porque la tecnología actual de blindaje del reactor tiene una relación de potencia específica muy lamentable. Los reactores nucleares actuales, (incluso los hechos para operaciones espaciales) tienen una potencia específica de 1 W / kg, por lo que por persona, el equipo de generación eléctrica / generación de energía agrega otros 91,000 kg de masa. La comida, el agua y el aire también agregan masa adicional, llegando a 1122 kg de agua, 1 kg de comida y 1 kg de aire.
Entonces, por persona, la masa de la colonia llega a:
1122 kg de agua
1 kg de comida
1 kg de aire
91,1 kg de equipos de procesamiento de agua, producción de alimentos, procesamiento de aire y consumo de electricidad
91,000 kg de equipos de producción de electricidad
16,5 kg de combustible de uranio
Para un total de 92.231 kg de equipo por persona a bordo del barco. Ahora, para diseñar la nave en sí, usaré la ecuación del cohete para hacer algunas conjeturas sobre el tamaño de la colonia. Como necesita ir al 4\% de la velocidad de la luz, su delta-V es de 12 millones de m / s. Utilizando bombas nucleares como propulsión, que se queman a un máximo del 30\% de su potencial 80 TJ / kg, la velocidad de escape posible es de 6,9 millones de m / s. Entonces, la colonia tendría una proporción de masa de 5.65, lo cual es factible con la tecnología estructural actual. Ahora, suponiendo que la masa de la carga útil es el 10\% de la masa total de la colonia vacía (la colonia menos el combustible), la masa total de la colonia vacía es 922,310 kg, con una masa alimentada de 5,231 millones de kg. Para poner eso en perspectiva, es la misma masa que un asteroide de hierro con un diámetro de 10,75 metros, para el lanzamiento de una sola persona.
Entonces, veamos si la colonia tiene 100 personas y está diseñada para expandirse a 2000 personas. Luego, la masa vacía de la colonia se expande a 184,6 millones de kg, y la masa alimentada se expande a 1042 millones de kg, o la misma masa que un asteroide de hierro con un diámetro de 62,9 metros.Para mantener los costos bajos, significaría construir todo el hardware en el espacio utilizando recursos in situ, tal vez a través de la tecnología 3D desarrollada por Planetary Resources o Made in Space, junto con alguna forma de tecnología de cohetes reutilizable como la creada por SpaceX. Blue Origin o Masten Space Systems. Sin usar un asteroide, si toda esta masa se lanza desde la Tierra, a los precios de lanzamiento actuales de $ 10,000 por kg, esto tiene un costo de $ 10,420 billones. Incluso con la caída de los costos con los cohetes reutilizables SpaceX de $ 1000 a $ 100 por kg, el costo aún sería de $ 1.04 billones a $ 104 mil millones para lanzar esta misión. Es factible, pero solo en una situación de extrema necesidad o si la economía planetaria se enriquece. Por lo tanto, dudo que esto sea viable hasta que comencemos a ver que las empresas puedan extraer y transformar asteroides de 62,9 a 100 metros de tamaño en bases de forma regular. Entonces, esta misión costó caer en las decenas de millones, por lo que se parece más al lanzamiento de un cohete de ahora.