The case for Mars – eller för andra rymdkolonier

Nu tror jag inte det är så man skulle göra idag. Men nog slösar dom på material - med ett kilometertjockt skal och - i princip - solceller på utsidan som driver lampor på insidan. Inga fetmassiva fönster. Vill du se ut, tänk dig en kilometerstor evenemangs-tv istället för fönster .. eller nyare teknik när DEN kommer.

Det största problemet med (stora) cylindrar är utarmning - av allt, faktiskt. Luft, jord, sten, metall, folk. Ett habitat av Rama-storlek är utan tvekan det säkraste med tanke på rymdgrus - om det kommer nåt stort, flytta dig (upp till just över halva radien räcker ju normalt bra). Nånting som missar dig med 1 meter gör dig ingen som helst skada - detsamma kan inte sägas om platser nere på jorden, eller mars.

Dock som sagts ovan - det är mycket initial investering för långsam payback. Att lasta småskepp med äventyrare försedda med yxor och skottkärror med sikte på asteroidbältet KAN vara en bättre idé, relativt sett. Dvs - små gäng som drar iväg och letar exklusiva ämnen, i princip. Det som krävs är bara att vi lär oss att från ett fåtal flyktiga ämnen via kemi och botanik kan skapa det *vi* behöver för att leva.

För förutom spårämnen är vi ju primärt byggda av 6 grundläggande atomer. Inte så att vi behöver nåt kilo fosfor eller järn om dagen

Gerard K. O'Neill säger att O'Neill-cylindrarna är strukturellt säker. Med tanke på de inblandade krafterna och extremt stora glaspartierna kan jag tycka att det känns lite tveksamt, men han var fysikprofessor och jag är bara en enkel flashbackare så jag utgår ifrån att han har rätt.

Det kan väl även nämnas att lufttrycket inte behöver vara 1 atmosfär, 0,3 eller något däromkring tror jag räcker utmärkt. Det blir ju ingen avgörande skillnad, men lite på marginalen hjälper det säkert till.


Om jag inte minns helt fel så finns det företag som satsar på att åka till asteroiderna och hämta ädelmetaller. I teorin är det väl en utmärkt idé med tanke på hur gott om resurser det finns i asteroidbältet och hur relativt lättillgängliga de resurserna är. Men eftersom det, mig veterligen, inte har blivit något annat än affärsplaner av det än så länge så får vi väl anta att det finns vissa praktiska hinder som gör det mindre attraktivt

Det svåra är att identifiera och testa för alla möjliga katastrofscenarier. Det är lätt att fastna för något och räkna på att just det är säkert. Historien är full av katastrofer so inträffat för att en smart ingenjör missat något som kan gå fel.
Jag har provat drygt 0,5 atmosfär och det var rätt tufft, men du kanske tänker dig att man skall höja syrehalten i motsvarande mån och bara minska mängden kväve?
Tror det finns några optimister som planerar för det, men det är oerhörda utmaningar. Att bedriva gruvdrift i vakuum och utan gravitation är inget vi har någon som helst erfarenhet av. Det lär vara många decennier bort.

Ingen har någonsin byggt några rymdkolonier så allting vi pratar om nu är ju mer än experimentellt, det är bara spekulationer. Men samma sak gäller för allting nytt. All teknik har en gång i tiden varit ny och oprövad. Det innebär en väsentlig risk för olyckor och katastrofer. Men det är inget argument för att man inte ska utveckla den nya tekniken.

I det här fallet pratade vi dessutom specifikt om den strukturella integriteten. Vilken är ganska enkel att räkna på (om än inte så enkel att jag tänker jag göra det själv). Det utesluter inte att det finns en mängd andra sätt som den kan fallera katastrofalt på. Men om en meriterad fysikprofessor säger att den inte kommer att kollapsa under sin egen tyngd så tror jag att vi kan vara rätt säkra på att den inte kommer att göra det.


Visst handlar det om att minska mängden kväve. Tidiga amerikanska rymdresor, inklusive rymdstationen Skylab, använde en luftmix med ungefär 75% syre och 25% kväve vilket gav ett lufttryck på cirka 0,3 atmosfärer. Sedan gick man i från det med rymdfärjan. Jag lyckas inte riktigt googla mig till varför mer än att den kvävefattiga luftmixen krävde tillvänjning redan före start vilket kanske var lite omständligt. Kvävefattig luft är ju också en aning mer brännbar vilket kanske är ett argument för att använda vanlig luft. Å andra sidan kan man få samma brandbegränsande egenskaper med ett mycket lägre lufttryck om man använder en gas med högre molekylvikt, till exempel xenon.

(Off topic: 0,5 atm är rätt lite, nästan 6000 meter över havet om jag läser tabellerna rätt. Har du varit så högt upp eller är det i något annat sammanhang man upplever ett sådant lufttryck?)


Jag har faktiskt funderat lite på det där. Alla metoder för kross och sortering av massor som jag känner till är beroende av gravitation och/eller lufttryck i någon bemärkelse. Men rent teoretiskt borde tyngdlöshet och vakuum vara perfekt för masshantering. Finns det inget motstånd kan man hantera gigantiska massor med nästan inget arbete alls. Det verkar alltså finnas utrymme för en hel uppsättning fiffiga ingenjörslösningar. Med dem i bagaget borde man kunna bedriva gruvdrift vid asteroiderna betydligt billigare än man kan på jorden.

Det är dock ett argument för att man skall göra konstruktioner med redundans, inte en jättelik öppen cylinder.
Det är "enkelt" att räkna på att den inte ramlar isär av sig själv. Betydligt svårare att fundera ut alla scenarier där något går fel. En vattentank brister och allt vatten rinner ut på ena sidan och skapar obalans i cylindern, någon kör in i ett vitalt stag och knäcker det osv.
5000 kommer man upp på utan specialkunskaper på några platser på jorden.
Svårt att säga. Jag misstänker att problemet med att hålla ordning på gruset i tyngdlöst tillstånd är värre. Lär i alla fall ta lång tid av praktiskt experimenterande innan man får ordning på det, det är inget man sitter och löser i att labb på jorden.

Hur mycket luft du kan fylla i en gummibalong utan att den spricker skulle du möjligtvis kunna räkna utt på baksidan av ett krogkvitto om du visste alla materialegenskaper. Men vad händer med den "strukturella integriteten" om du sticker hål på en uppblåst balong med en liten synål? Kan du alls räkna ut det senare med mindre än att du simulerar hela förloppet?

Den jättelika cylindern har dock fördelar, både ekonomiska och i form av ökad livskvalitet. Så det kan vara potentiellt fördelaktigt att bygga dem ändå. Sedan är det nog ingen som hävdar att vi ska slänga upp ett par O'Neill-cylindrar det första vi gör. Oavsett när eller om det blir någon rymdkolonisation så lär det ha byggts många mindre rymdkolonier innan sådana stora konstruktioner blir aktuella


Jag håller med om att det finns enorma problem som måste lösas för att få allt att fungera. Men teknikoptimist som jag är ser jag det mest som ett bra argument för att börja experimentera. En intressant början hade varit att skicka upp en cubesat med ett kross- och sorteringsverk i miniatyrskala för att se hur det fungerar. Det hade varit intressant.


Jag har själv aldrig varit högre upp än drygt 4000 meter över havet. Jag upplevde det som förvånansvärt oproblematiskt. Men nästan 6000 meter är betydligt högre upp och någonstans måste det givetvis börja kännas.


Jag är inte konstruktör men jag inbillar mig att den plastiska naturen hos en ballong ger helt andra beräkningar än en rigid struktur som en O'Neill-cylinder. Eftersom cylindern inte kollapsar inåt av ett tryckfall så fortsätter de statiska hållfasthetsberäkningarna att gälla även vid en läcka. Tänker du att det skulle fungera på något annat sätt?

https://space.nss.org/the-colonization-of-space-gerard-k-o-neill-physics-today-1974/

"Meteoroid damage should not be a serious danger. Most meteoroids are of cometary rather than asteroidal origin and are dust conglomerates, possibly bound by frozen gases [ref 3]; a typical meteoroid is more like a snowball than like a rock. Spacecraft sensors have collected abundant and consistent data on meteoroids in the range 10-6 to 1 gram, and the Apollo lunar seismic network is believed to have 100% detection efficiency for meteoroids [ref 4] above 10 kg: Data from these sources are consistent with a single distribution law.

The Prairie Network sky-camera data [ref 5], after substantial correction for assumed luminous efficiency, agree with data from the National Aeronautics and Space Administration for 10-gm meteoroids. The spacecraft and seismic data indicate a mean interval of about one-million years for a strike by a heavy (one ton) meteoroid on a space community of cross section 1000 square kilometers. Even such a strike should produce only local damage if the structure is well designed. For 100-gram meteoroids, the mean interval for a strike is about three years. From the combined viewpoints of frequency and of momentum carried, the size range from one to ten grams may need the most care in window design and repair methods. For total breakage of one window panel, Daniel Villani at Princeton has calculated a leakdown time of about 300 years. Meteoroid-damage control is, then, a matter of sensing and of regular minor repair rather than of sudden emergencies."

---

Fakkade formler, se länk.

"For the structure, steel cables are assumed to be formed into longerons (average thickness ΔrL) and circular bands (average thickness ΔrB).
The value of ΔrL required is

ΔrL = Rρo/2T

where R is the cylinder radius, ρo the atmospheric pressure and T the tension. For land density ρL and depth xL, and bands of density ρF, the total equivalent internal pressure pT is

pT = ρo + ρLxLg + ρFrBg + ρFrLg

To solve for pT we note that

ΔrB = pTR/T

so that

pT = (ρo + gρLxL + gρFR/T)/(1-gρFR/T)

For an average soil depth of 150 cm, with an average density of 1.5 gm per cc,

po = gρLxL = 1.23 x 105 newtons/m2

To arrive at a conservative value for T, we note that half a century ago, the working stress for suspension-bridge cables was 70,000 to 80,000 pounds per square inch [ref 1].

At that time, D. B. Steinman [ref 1] argued for the use of stresses over 100,000 psi. If we use 1920’s steels, hardened to bring the yield point to 90% of the ultimate strength, and work at 75% of the yield point, the working stress can be 152,000 psi. If we take T as 150,000 psi and R as 3200 meters, the averaged surface mass density is 7.5 tons per square meter."

Eller så överger man Rama och kikar på Eon - den designades ju med "kammare", 7 stycken om jag minns rätt. Vi behöver inte gå in i detalj på den sjunde, dock .. det e lite spoilervarning på det. Men Greg Bear som skrev romanen (romanerna, det är en serie) insåg tidigt att det kanske vore bättre att dela upp utrymmet lite.

Ok, varje kammare var stor nog för mer än stockholms befolkning, många gånger om. Men ändå - om nånting tar sig igenom nån kilometer skal så var ju ändå tanken att bara en sjundedel (eller, sjättedel då eftersom 7:an e lite speciell) skulle ryka.

Ni se, det finns redan lösningar på det mesta om man läser rätt scififörfattare

Det finns inga stora strukturer som är rigida på det sättet som du tänker. Tacomabron brukar användas som skolexempel på en konstruktion som var byggd för att klara de statiska lasten, men där det inte räckte. Se klippet nedan och tänk efter:
https://www.youtube.com/watch?v=XggxeuFDaDU

Fanns det några krafter från last eller omgivning som var större än vad bron var konstruerad för att klara? Eller kan det kanske vara som så att de dynamiska krafterna rent av kan överträffa de statiska utan att alls vara lika lätta att förutse?

Jag har inte läst Eon så jag kan inte uttala mig specifikt om vad som händer där.

Mer generellt har jag dock läst att varken Clarkes Rama eller den här Eon, som jag inte känner till närmare, skulle fungera i praktiken. En roterande cylinder måste vara i det närmaste lika bred som den är lång för att fortsätta snurra stabilt. Hos en långsmal roterande cylinder uppstår okontrollerad precession som leder till att hela cylindern så småningom välter med katastrofala eller åtminstone mycket stökiga effekter. O'Neill löste det problemet genom att koppla ihop två O'Neill-cylindrar med rotation i varsin riktning varpå gyroeffekterna tog ut varandra och cylindrarnas rotation blev stabil över tid (påstod O'Neill i alla fall).


Att dynamiska krafter kan överträffa statiska ifrågasätter jag inte. Men det är knappast fallet med en O'Neill-cylinder.

Ballongen som du nämnde tidigare är ju i princip bara utsatt för dynamiska krafter eftersom den får sin form och storlek av det inre lufttrycket. Det är inte riktigt jämförbart med en roterande metallcylinder som har en egentyngd på några miljoner ton och ett i sammanhanget närmast försumbart inre lufttryck.

Jag är inte med på den effekten? Vänlig upplys mig om varifrån den skulle komma.

Däremot, om du vill färdas med en snurrande massa, så av rent gyroskopiska effekter är det troligtvis fördelaktigt att ha ett par av dom i motsatt riktning. Det förtar inte effekten av att dämpa riktningsförändringar, men om du har en av vardera riktning så blir effekten mer förutsägbar - inte i just en riktning.

Att man skulle drabbas av plötsligt oförutsägbara precessioner ser jag som uteslutet. Har du kanske sett för många videos från detta?
https://www.youtube.com/watch?v=1n-HMSCDYtM