Questão:
Qual é o maior corpo natural que poderia ser oco e viver com segurança?
James Jenkins
2013-07-26 20:05:16 UTC
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Algumas propostas para viver no espaço prevêem encontrar um asteróide que seja um pedaço sólido de alguma coisa (ou seja, níquel-ferro), esvaziá-lo, colocar uma eclusa de ar e você terá uma casa. Adicione um drive e você tem uma nave espacial. Claro que a realidade é um pouco mais complexa, mas a ideia tem mérito.

Deixando de lado as forças de giro e empuxo (variáveis ​​demais para uma pergunta simples), qual é o maior corpo espacial de ocorrência natural que sabemos ou podemos razoavelmente supor a existência de que poderia ser oco, preenchido com ar a uma distância confortável humana e vivido?

É fácil imaginar um asteróide que é essencialmente o núcleo de ferro de um planeta, então é razoável supor que isso poderia ser uma opção. Além disso, um planetóide com o tamanho da lua ou próximo a ele poderia ter um núcleo que fosse resfriado o suficiente para criar um túnel até o centro e criar uma cavidade. Nossa Lua, estando em órbita ao redor da Terra, tem um estresse significativo das marés (provavelmente mantendo o núcleo quente), então não seria uma candidata. Embora um corpo idêntico em uma órbita solar ou trajetória interestelar, possa ser um candidato.

Editar para esclarecer o escopo eu estava pensando, com um planetóide em um poço de gravidade significativo (como lua ou terra), toda a massa seria deixada no corpo. Com um corpo pequeno, os materiais “extraídos” provavelmente seriam vendidos ou ejetados. Alguns materiais do corpo ou de uma fonte externa seriam usados ​​para vedar o suporte de &. Para esta questão, defino oco como permitindo essencialmente uma visão obstruída do interior, como seria o caso com uma esfera de Dyson. Os suportes transversais seriam práticos em um corpo pequeno de algumas centenas de metros (embora violasse a definição de oco usada aqui). Para uma cavidade medida em centenas de quilômetros, as travessas seriam impraticáveis ​​pela mesma razão que um elevador espacial é impraticável; não há meios razoáveis ​​de abranger com força suficiente, sem resultar em favo de mel ou tunelamento.

Eu realmente não vejo por que existe um limite superior nisso. A Terra pode ser esvaziada. Uma esfera de Dyson é basicamente a mesma coisa ...
@PearsonArtPhoto Eu estava pensando sobre que (dado um núcleo legal) você teria essencialmente um centro de gravidade zero, mas parece que se você deixasse o núcleo natural, ele teria uma tendência a desmoronar como um poço de mina sem suportes de telhado. Uma esfera Dyson assume material personalizado para o estresse. Além disso, um corpo que era muito pequeno, digamos um asteróide que era uma reunião natural de pedaços menores, provavelmente não teria se formado com força suficiente para se manter unido com qualquer força externa interna.
A definição de "oco" pode ser esticada para incluir suportes e até mesmo deixar um núcleo interno intacto. Especifique mais precisamente o que significa "oco" - há muito poucos engenheiros civis que recusariam um convite para experimentar com financiamento ilimitado.
Uma coisa que precisamos levar em conta é que quando você esvazia algum corpo celeste, também remove a maior parte de sua massa, o que significa que as forças gravitacionais na camada externa serão muito menores. Realmente não responde à pergunta, mas pensei que poderia estar faltando no "quadro geral" para realmente imaginá-lo. E também não podemos presumir de quais materiais a camada externa seria feita (espessura necessária, sua resistência à tração, ...), portanto, quaisquer cálculos serão, na melhor das hipóteses, argumentativos. : |
Hmm. 16 Psyche http://en.wikipedia.org/wiki/16_Psyche é o asteróide tipo M mais massivo. Talvez pudesse ser escavado por meio de algum tipo de processo de fusão, deixando apenas uma casca fina, e então girado para gerar gravidade artificial. Eu me pergunto qual seria o gradiente de gravidade da cabeça aos pés, supondo, digamos, 0,9 - 1 G nos pés. Também me pergunto se seria fácil torná-lo hermético, especialmente supondo que seja oco por derretimento.
@TildalWave Depende de como você o esvazia. 1) Perfure um poço no centro de um asteróide e esvazie o núcleo. 2) preencher o núcleo com voláteis congelados. 3) encher o poço com o material retirado na perfuração, criando uma vedação sólida entre o asteróide e o material de reposição em todo o seu comprimento. 4) Aquecer simetricamente o asteróide até seu ponto de fusão, começando na superfície e continuando até que a zona de fusão alcance os voláteis no núcleo, fazendo com que ele se expanda como um balão. - Uma vez que a concha se solidifica novamente, você tem uma bolha oca com uma massa semelhante à original.
@TildalWave Não posso reivindicar originalidade; Eu roubei a ideia da série Troy Rising de John Ringo (e ele roubou de outro lugar ...). Vou tratar de escrever com mais detalhes mais tarde esta noite.
@DanNeely Achei que a maioria dos asteróides próximos eram desprovidos de voláteis. Posso lhe dar uma referência para isso, mas um artigo de que me lembro argumentou que a água líquida e o gelo durariam no interior de um asteróide com escala de 100 km por alguns 10s de milhões de anos. Estamos muito além disso, então eu questiono se você pode encontrar quaisquer voláteis congelados para ferver ... a menos que você passe por Júpiter.
@AlanSE Sim, os voláteis precisariam ser trazidos de outro lugar; mas se você tem o orçamento de energia para derreter um grande asteróide, você também pode capturar um cometa para a mina.
Uma opção de esvaziá-lo: Escolha um corpo com uma grande quantidade de água, longe o suficiente do Sol (como Europa). Perfure os poucos quilômetros de gelo e bombeie a água líquida do meio.
-1
@JamesJenkins: Não sei!
Eu gostaria de virar esta questão de cabeça para baixo - volume mínimo que um corpo natural teria que conter para fornecer espaço de vida / trabalho para uma tripulação de, digamos, 5, embora ainda seja propulsível, e fornecendo proteção de radiação equivalente à atmosfera da Terra
@Everyone você precisaria de mais detalhes sobre os requisitos de espaço de vida / trabalho. Bem como critérios de suporte de vida e requisitos físicos e mentais por um período específico.
Pergunta relacionada [O gelo pode ser usado para criar um habitat ou estação espacial?] (Http://space.stackexchange.com/questions/8371)
Dois respostas:
#1
+28
AlanSE
2013-07-26 21:19:36 UTC
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Cavernas
Qualquer corpo grande onde você possa sobreviver na superfície para começar pode ser usado para cavernas, artificiais ou naturais. Esta observação não está fora do assunto porque você pergunta sobre como manter a pressão atmosférica. Cavernas lunares podem manter 1 atmosfera de pressão a cerca de 60 metros abaixo da superfície, sem tensões nas rochas circundantes. Estou usando matemática muito simples aqui. Se você assumir uma densidade de 1 g / cm 3 , então 10 metros de profundidade de água são necessários para obter 1 atmosfera de pressão. A lua tem 1/6 da gravidade da Terra. QED.

Isso é possível em muitos corpos. É possível até em Ceres, Vesta. Mas à medida que diminuímos a massa do corpo, a caverna tem que se aprofundar para manter 1 atmosfera de pressão. A gravidade na sala de estar também diminui (obviamente, porque é um corpo menor). Portanto, há apenas um conjunto limitado para o qual isso faria sentido. Além disso, muitos corpos têm uma atmosfera para começar, então as cavernas são complementares ou inúteis ali.

Um dos lugares mais atraentes para cavernas é Mercúrio. Isso é argumentado muito bem por Jim Shifflett. Não quero dizer isso no sentido de que uma colônia de Mercúrio seria preferível a Marte ou à Lua (embora aparentemente haja desacordo quanto a isso), mas quero dizer que as cavernas são a única maneira de estabelecer bases em Mercúrio.

Cavernas centrais

Vamos voltar à ideia de Ceres. Sua pressão central é algo como 200 atmosferas terrestres. A gravidade aumenta mais ou menos linearmente com o raio, então suas cavernas teriam cerca de 1/400 do raio do planeta anão sob a superfície. Você também pode estar nadando, mas esse é um tópico separado. O que acontece quando o objeto é tão pequeno que a caverna teria que terminar no centro?

Bem, para começar, você teria gravidade zero. De acordo com o teorema da casca, a gravidade se cancelaria perfeitamente devido à rocha do próprio asteróide. Há um tamanho específico no qual o centro está naturalmente em 1 atmosfera da Terra exatamente. Isso o coloca em um asteróide com um diâmetro de cerca de 20 km. Muitos objetos deste tamanho estão bem catalogados e sabemos bastante sobre eles. Gaspra é um exemplo. Também não é redondo. Agora, sobre esse assunto ...

Há espaço para debate se a exigência de nenhuma força estrutural é razoável. Este é o tópico da Diferenciação planetária. Muitos asteróides são rochas, forjadas no interior de um corpo maior, e só se separaram por causa de colisões. Isso significa que eles poderiam ter sido formados de materiais fundidos sob muita pressão, tornando um corpo bastante coeso. Na verdade, isso é bastante comum. O limite de diferenciação é geralmente considerado como bem acima do ponto de diâmetro de 20 km e provavelmente mais próximo da faixa de 100s de km. Isso nós sabemos por estudos de luas. Temos relativamente menos informações sobre asteróides livres porque as luas têm sido historicamente um tipo de objeto mais óbvio para estudar, e seus tamanhos são deslocados mais para tamanhos maiores.

Então, para resumir este discurso, deixe-me estabelecer :

P: Você poderia esvaziar o centro de um asteróide de 20 km e enchê-lo com gás?

R: Ele vazaria, mas se você evitasse as leis da física nos dizem definitivamente "sim".

P: Você poderia esvaziar o centro de um asteróide de 20 km e expô-lo ao vácuo do espaço?

R: Pode colapso sobre si mesmo, mas não temos certeza. Encontra-se próximo ao limite da resistência necessária do material. Também dependeria do tamanho da cavidade que você esculpir.

Existem também alguns argumentos óbvios de escala que se seguem. Por exemplo, você poderia escavar o centro de um asteróide de 1 km e expô-lo ao espaço sem colapsar? Certo. Temos boas chances de isso funcionar, porque isso só está lutando contra sua autogravitação. O fato de que objetos muito maiores são indiferenciados significa que estruturas de formato estranho na escala de km podem resistir à sua autogravidade. Mas "pode" é diferente de "vontade". É para isso que você precisa dos engenheiros civis.

Balões gravitacionais

Então, vamos ser ridículos. E se eu pegasse um objeto de 20 km, começasse a esvaziar o centro, enchendo-o com uma bolsa de ar selada ... e continuasse? Quão grande eu poderia ir antes que desabasse em uma grande bagunça? Bem, não há limite, por si só.

Você tem o problema da diferenciação natural - isso funciona contra você. Ele quer levantar sua bolha de ar, colocando baixa densidade (ar) do lado de fora e alta densidade (rocha) no meio. Mas não é diferenciado para começar, então isso não vai acontecer muito facilmente. Digamos que você tenha escavado quase uma bolha de ar de 20 km de diâmetro no centro. Agora você moveu quase toda a rocha, quebrando-a em pequenos pedaços. Bem, estudos de asteróides estabeleceram ângulos de queda na ordem de 7% a 14% de ascensão para corrida, o mesmo para pilhas de areia na Terra (não é surpreendente). Você poderia evitar ângulos íngremes ao reorganizar as rochas, embora a ideia de falha dinâmica ainda seja assustadora. Portanto, é possível que você possa encurralar o material para manter um grande volume de ar - tudo sem resistência do material.

Existe o detalhe de que a pressão naturalmente suportada muda com o tamanho da bolha de ar. Mas isso segue uma matemática muito previsível, que é trivial de se resolver. O único limite real é quando o volume de ar se torna tão incrivelmente grande que a gravidade do ar em si limita a área habitável. Alguém escreveu um livro de ficção científica exatamente sobre isso.

http://www.kschroeder.com/my-books/sun-of-suns

Agora, existem duas falhas principais na visão que este autor pintou.

  1. Ele pensou que o envelope tinha que ser feito de nanotubos de carbono. Isto é ridículo. Você poderia fazer isso de uma folha de rocha de 10 km de espessura. Você tem problemas de estabilidade, mas não importa se você pode fazer nanotubos de carbono de qualquer maneira ...
  2. Os habitats de gravidade artificial estão girando no espaço livre. Isso cria forças de arrasto impossíveis. Eu escrevi sobre uma maneira razoável de fazer isso em um blog.

Isso tudo é um pensamento muito fantasioso. Existem apenas 2 objetos em todo o sistema solar interno que poderiam conter o ar respirável em seu centro para começar - Eros e Fobos. E mesmo isso seria uma atmosfera fina e rica em oxigênio (como Skylab).

Pode ser que produzir ar respirável em primeiro lugar seja um desafio maior. Os asteróides próximos à Terra são pequenos demais para o esquema maluco que descrevi. Mas eles também podem carecer de hidrogênio e nitrogênio suficientes. Conseguir os materiais para a vida exigiria infraestrutura para começar. Se você precisa de um lugar para estacionar os gases que produz, não deve ser muito difícil no sentido cósmico.

Voltarei à pergunta:

qual é o maior corpo espacial de ocorrência natural que conhecemos ou podemos razoavelmente supor a existência de que poderia ser oco, preenchido com ar em um alcance humano confortável e vivido?

O problema é que corpos grandes têm uma pressão central muito alta para os humanos. Se o seu limite for cerca de 3 atmosferas terrestres (um limite biológico razoável), o maior corpo seria algo como 132 Aethra, um corpo despretensioso na borda interna do cinturão de asteróides. Se você fizesse a bolha de ar central grande o suficiente, entretanto, essa pressão cairia.

Ótima resposta, acho que você acabou de salvar a pergunta com ela! Enquanto o lia, pensei em outro obstáculo - quão grande pode existir uma massa de "ar respirável", antes que se torne muito grande, comece a formar um núcleo e, eventualmente, se torne um enorme reator de fusão (uma estrela)?
@TildalWave, o livro de ficção científica sobre Virga, explorou a quantidade de ar onde a diferença de pressão é importante - as regiões externas têm ar rarefeito como montanhas. Isso * ainda * não é suficiente para o ar se manter (ele ainda precisa da parede). Algo como a massa de Urano estaria mais perto do limite para uma massa de ar estável. Para obter a fusão, você precisa de muitas ordens de magnitude a mais do que isso. Mesmo o maior balão de gravidade razoável teria 10 ^ 10 vezes menos massa.
1 boa resposta. Confira esta resposta @AlanSE: http://meta.space.stackexchange.com/a/157/63.
Resposta fantástica, não consigo imaginar melhor, mas também não conseguia imaginar uma tão boa. Vou adiar a aceitação por alguns dias para encorajar outros a tentar fornecer uma resposta melhor.
Quando você responde, você realmente responde. Aproximei o comentário sobre H e N em asteróides, porque estava tentando perguntar sobre o leito rochoso lunar na semana passada, sobre se há chances de conter ambos os produtos químicos apenas com base no conhecimento geral da composição do sistema solar. Não consegui encontrar nenhum material sobre isso, não devo saber procurar. O que devo procurar? (Se eu puder impor a você desta forma.)
Os asteróides @briligg têm algo como 0,1% de nitrogênio por sua [abundância elementar] (http://periodictable.com/Elements/007/data.html). Isso significa que para obter 1 m ^ 3 de ar, você precisará processar cerca de 1 m ^ 3 de rocha, e isso não parece razoável para mim. Na Terra, podemos simplesmente condensá-lo do ar, e a atmosfera de Marte tem N2 suficiente para que possamos liquidificá-lo. Portanto, cidades asteróides ou lunares podem importar N2 de Marte. As abundâncias da Lua são semelhantes aos asteróides, mas as formas químicas são um assunto mais complicado que ainda pode favorecer a extração lunar, e não sei o suficiente sobre isso.
Talvez seja apenas uma incógnita geral, continuarei procurando. Esse é um link útil, porém, não me ocorreu que os dados sobre os elementos podem incluir tais informações.
#2
+3
Jim2B
2015-03-05 21:24:14 UTC
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Os maiores corpos que poderíamos explorar com segurança escavando-os para fazer espaço interior (como um precursor de um cilindro O'Neill), seria um corpo cuja gravidade é muito fraca para diferenciar os materiais e esfericalizar o corpo. Um corpo esférico implica que a resistência do material do asteróide é muito fraca para suportar a massa de material acima dele. Em geral, todos os corpos diferenciados são esféricos, mas ambos os critérios são necessários porque os corpos diferenciados podem ser divididos (como Vesta) em pedaços menores diferenciados.

Colocando de outra forma, Plutão e Ceres são certamente muito grandes.

Vesta e Pallas podem ser muito grandes.

Se você deseja impor a restrição adicional de querer girar o corpo inteiro para a gravidade artificial, o corpo que você deve procurar deve ser principalmente metálico (cerâmicas / rochas são fracas na tensão).

O que isso significa, é que você deve procurar o núcleo de planetóides interrompidos, corpos como Vesta, mas menores seriam o ideal. Esta tabela de densidades de asteróides medidas indica que os seguintes asteróides podem ser candidatos particularmente bons:

'# Nome Notas de erro de densidade
4 Vesta 3,44 +/- 0,12 Provavelmente muito grande 20 Massalia 3,26 +/- 0,60 145 km de diâmetro médio
804 Hispania 4,90 +/- 3,90 145 km de diâmetro médio, Enormes barras de erro na densidade

Comparação visual dos maiores asteróides Comparison of Largest Asteroids

Jim, o próprio processo de esvaziamento (remoção de materiais do núcleo) muda drasticamente a distribuição de massa e, dependendo de onde você coloca essa massa, pode tirar o corpo do equilíbrio hidrostático.
@TildalWave Verdadeiro, mas lembre-se de que um corpo não esferoidal não está em equilíbrio hidrostático de qualquer maneira. Conforme mencionado na primeira resposta - alguém planejando fazer isso teria que colocar uma grande quantidade de engenharia (peso de equilíbrio, pressão do ar e força rotacional com as resistências do material) no projeto e não apenas com base em alguns parágrafos " regra de ouro ". Mas acho que minha premissa é sólida - corpos esféricos são muito grandes, alguns corpos não esféricos ainda são muito grandes.
@TildalWave também um dos grandes do SF, ou talvez o próprio O'Neill propôs perfurar um pequeno tubo através do centro de um asteróide metálico, enchendo-o com gelo de água, soldando as extremidades fechadas, girando e aquecendo a coisa com a luz do sol refletida até 2000+ F. Isso deve ferver a água, fornecendo pressão de inflação, e amolecer o ferro níquel o suficiente para permitir que ele se expanda. Não é necessária tanta escavação dessa maneira.


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