La presenza umana sostenuta nello spazio è stato un obiettivo fondamentale perseguito dalla NASA per decenni. Il recente Piano della NASA per l’esplorazione e lo sviluppo lunare delinea una visione per l’esplorazione umana a lungo termine dello spazio cislunare, sulla superficie lunare e su Marte come parte del programma Artemis. Il volo spaziale di lunga durata pone serie sfide per il corpo umano, tra cui atrofia muscolare, perdita ossea, degrado della vista e immunosoppressione, oltre a problemi psicologici. Molti di questi effetti sono legati alla mancanza di gravità.
Sebbene siano stati compiuti progressi significativi nella mitigazione dei sintomi individuali associati all’esposizione a zero g a lungo termine, la capacità di generare gravità artificiale eliminerebbe la causa principale di molti problemi e potrebbe migliorare notevolmente la salute dell’equipaggio nelle missioni di lunga durata.
I concetti per la rotazione degli habitat spaziali come mezzo per generare gravità artificiale risalgono a più di un secolo fa. Tuttavia, gli esseri umani soffrono di disagio dall’esposizione a velocità di rotazione fino a 3 RPM. Per produrre una gravità artificiale vicina a 1 g a velocità di rotazione di 1-2 RPM, è necessaria una struttura su scala chilometrica.
Il cuore della soluzione è una struttura dispiegabile ad alto rapporto di espansione (HERDS) costruita con metamateriali meccanici. Nello specifico, si cercherà di sfruttare due scoperte cinematiche fatte negli ultimi 5 anni: shearing auxetics e meccanismi a forbice ramificata. L’idea è quella di produrre strutture tubolari con un rapporto di espansione 150x senza precedenti.
Lo studio di Fase I NIAC ha dimostrato la fattibilità di questo approccio e ha indicato diversi problemi tecnici che devono essere affrontati nella Fase II.
Il lavoro tecnico chiave nella fase II si concentrerà su quattro assi specifici:
- Modellazione e comprensione in dettaglio delle complesse dinamiche di distribuzione della struttura gerarchica in espansione.
- Mitigazione del jamming durante l’implementazione in presenza di errori di produzione e disturbi esterni mediante simulazione e ottimizzazione del design.
- Prototipazione rapida e iterazione di progettazione basata su hardware per calibrare i modelli e valutare i componenti del sottosistema.
- Convalida sperimentale di prototipi su scala metrica con migliaia di collegamenti per dimostrare l’implementazione senza inceppamenti e rapporti di espansione elevati.
Questo lavoro avrà un impatto immediato ed a lungo termine per gli obiettivi della NASA. A breve termine, una tale struttura renderebbe possibile un’abitazione umana sostenuta nello spazio cislunare, ad esempio come parte del Lunar Gateway. A medio-lungo termine, tali strutture saranno fondamentali per sostenere gli esseri umani nello spazio profondo. Infine, le grandi strutture faranno avanzare anche l’astronomia supportando array di telescopi su larga scala.
Insomma, le stazioni spaziali rotanti in grado di generare gravità artificiali potrebbero essere ormai lontane solo 10 o 20 anni.
Le stazioni di O’Neill
Il cilindro di O’Neill è un progetto di habitat spaziale proposto da Gerard K. O’Neill nel suo libro The High Frontier (Colonie umane nello spazio). O’Neill era uno scienziato, docente di fisica alla Princeton University, che nel 1969 decise di far progettare ai suoi studenti delle grosse strutture abitabili spaziali. Con sorpresa di tutti, diversi progetti utilizzavano materiali ordinari (acciaio e vetro) e potevano fornire grandi aree abitabili. Il risultato di questo sforzo cooperativo venne pubblicato per la prima volta da O’Neill nel 1974 su Physics Today.
Il progetto di riferimento di O’Neill, Island Three (“Isola Tre”) consisteva di due cilindri in controrotazione, lunghi 30 km e con un raggio di 3 km. La superficie interna di ogni cilindro era divisa in sei strisce di area uguale che correvano lungo la lunghezza del cilindro, tre erano “finestre”, tre erano “terra”. Inoltre un anello agricolo esterno del raggio di 15 km ruotava a velocità diverse per potervi praticare l’agricoltura. Il blocco industriale era localizzato nel centro (dietro il disco satellitare) per poter sfruttare la gravità ridotta nei processi produttivi.
I cilindri ruotano per fornire una forza di gravità simulata dalla forza centrifuga sulla superficie interna. Esperimenti della NASA su strutture in rotazione indicano che praticamente nessuno soffrirebbe di cinetosi a causa dell’effetto Coriolis. Le persone sarebbero comunque in grado di determinare le direzioni di rotazione girando la testa. A questa scala di dimensioni l’aria all’interno del cilindro e l’acciaio del guscio esterno fornirebbero una protezione adeguata contro i raggi cosmici.
Grandi specchi sono incernierati sul retro di ogni striscia di finestra, il lato non incernierato punta verso il Sole. Gli specchi riflettono la luce solare all’interno dei cilindri attraverso le finestre. La notte viene simulata aprendo le finestre e lasciando che guardino verso lo spazio vuoto, ciò permette anche di irradiare nello spazio il calore. Durante il giorno il Sole si muove con il movimento degli specchi, creando una progressione naturale di illuminazione. Comunque la rotazione dell’immagine del Sole potrebbe essere osservata. La luce riflessa dagli specchi è polarizzata, il che potrebbe confondere le api.
Orbitando, l’effetto giroscopico dei cilindri ruotanti farebbe puntare naturalmente gli specchi dell’habitat verso il Sole. O’Neill e i suoi studenti studiarono accuratamente un metodo per orientare gli habitat. La coppia di habitat può essere fatta ruotare operando i cilindri come volani. Se una delle due estremità viene ritardata leggermente, i due cilindri ruoteranno uno intorno all’altro. Una volta che il piano formato dai due assi di rotazione è perpendicolare (nell’asse di rotazione) all’orbita, allora la coppia di cilindri può essere imbardata per puntare verso il Sole, esercitando una forza tra i punti di giunzione orientati verso il Sole farà precedere giroscopicamente entrambi i cilindri e il sistema si imbarderà in una direzione, esercitando la forza nell’altro senso farà imbardare nell’altra direzione.
