Arquitetura do espaço - Space architecture

Uma representação artística de 1990 de Space Station Freedom , um projeto que acabou evoluindo para a Estação Espacial Internacional

A arquitetura do espaço é a teoria e a prática de projetar e construir ambientes habitados no espaço sideral . Esta declaração de missão para a arquitetura espacial foi desenvolvida no Congresso Espacial Mundial em Houston em 2002 por membros do Subcomitê de Arquitetura Aeroespacial Técnica do Instituto Americano de Aeronáutica e Astronáutica (AIAA). A abordagem arquitetônica do projeto de espaçonaves aborda o ambiente totalmente construído. É baseado principalmente no campo da engenharia (especialmente engenharia aeroespacial ), mas também envolve diversas disciplinas, como fisiologia , psicologia e sociologia . Como a arquitetura na Terra, a tentativa é ir além dos elementos e sistemas componentes e obter uma ampla compreensão dos problemas que afetam o sucesso do design. A arquitetura do espaço se baseia em várias formas de arquitetura de nicho para realizar a tarefa de garantir que os seres humanos possam viver e trabalhar no espaço. Isso inclui os tipos de elementos de design que se encontram em "pequenas residências, pequenos apartamentos / casas residenciais, design de veículos, hotéis-cápsula e muito mais".

Muito trabalho de arquitetura espacial tem sido no projeto de conceitos para estações espaciais orbitais e naves de exploração lunar e marciana e bases de superfície para agências espaciais do mundo, principalmente a NASA .

A prática de envolver arquitetos no programa espacial surgiu da Corrida Espacial , embora suas origens possam ser vistas muito antes. A necessidade de seu envolvimento surgiu do impulso para estender a duração das missões espaciais e atender às necessidades dos astronautas, incluindo, mas além das necessidades mínimas de sobrevivência. A arquitetura do espaço está atualmente representada em várias instituições. O Centro Internacional de Arquitetura Espacial Sasakawa (SICSA) é uma organização acadêmica com a Universidade de Houston que oferece um Mestrado em Arquitetura Espacial. A SICSA também trabalha com contratos de design com empresas e agências espaciais. Na Europa, a Universidade de Tecnologia de Viena e a Universidade Espacial Internacional estão envolvidas na pesquisa de arquitetura espacial. A Conferência Internacional sobre Sistemas Ambientais se reúne anualmente para apresentar sessões sobre voos espaciais humanos e fatores humanos espaciais . Dentro do Instituto Americano de Aeronáutica e Astronáutica , o Comitê Técnico de Arquitetura Espacial foi formado. Apesar do padrão histórico de grandes projetos espaciais liderados pelo governo e do design conceitual de nível universitário, o advento do turismo espacial ameaça mudar a perspectiva do trabalho de arquitetura espacial.

Etimologia

A palavra espaço na arquitetura espacial se refere à definição de espaço sideral , que vem do inglês sideral e espaço . Externo pode ser definido como "situado em ou voltado para o lado de fora; externo; externo" e se originou por volta de 1350-1400 no inglês médio . Espaço é "uma área, extensão, extensão, lapso de tempo", a apética do antigo espaço francês que data de 1300. Espace vem do latim spatium , "sala, área, distância, extensão de tempo" e é de origem incerta. Na arquitetura espacial, falar de espaço exterior geralmente significa a região do universo fora da atmosfera da Terra, em oposição a fora da atmosfera de todos os corpos terrestres. Isso permite que o termo inclua domínios como as superfícies lunar e marciana.

Arquitetura , a concatenação de arquiteto e -ure , data de 1563, proveniente de architecte francês médio . Este termo é de origem latina, anteriormente architectus , que veio do grego arkhitekton . Arkitekton significa "construtor mestre" e vem da combinação de arkhi- "chefe" e tekton "construtor". A experiência humana é fundamental para a arquitetura - a principal diferença entre a arquitetura do espaço e a engenharia da espaçonave .

Há algum debate sobre a terminologia da arquitetura espacial. Alguns consideram o campo uma especialidade dentro da arquitetura que aplica princípios arquitetônicos a aplicações espaciais. Outros, como Ted Hall, da Universidade de Michigan, veem os arquitetos espaciais como generalistas, com o que é tradicionalmente considerado arquitetura (arquitetura terrestre ou terrestre) sendo um subconjunto de uma arquitetura espacial mais ampla. Quaisquer estruturas que voem no espaço provavelmente permanecerão por algum tempo altamente dependentes da infraestrutura terrestre e de pessoal para financiamento, desenvolvimento, construção, lançamento e operação. Portanto, é uma questão de discussão quanto desses ativos terrestres devem ser considerados parte da arquitetura espacial. Os aspectos técnicos do termo arquitetura espacial estão abertos a algum nível de interpretação.

Origens

As ideias de pessoas que viajam para o espaço foram publicadas pela primeira vez em histórias de ficção científica , como From the Earth to the Moon , de Júlio Verne, de 1865 . Nesta história, vários detalhes da missão (tripulação de três, dimensões da espaçonave, local de lançamento na Flórida) apresentam semelhanças impressionantes com os pousos da Apollo na lua que ocorreram mais de 100 anos depois. A cápsula de alumínio de Verne tinha prateleiras abastecidas com o equipamento necessário para a viagem, como um telescópio em colapso, picaretas e pás, armas de fogo, geradores de oxigênio e até árvores para plantar. Um sofá curvo foi construído no chão e as paredes e janelas perto da ponta da espaçonave eram acessíveis por escada. O projétil tinha o formato de uma bala por ter sido lançado do solo por uma arma , método inviável para transportar o homem ao espaço devido às altas forças de aceleração produzidas. Seria necessário um foguete para levar os humanos ao cosmos.

Uma ilustração do conceito de estação espacial giratória de von Braun

O primeiro trabalho teórico sério publicado sobre viagens espaciais por meio de foguetes foi de Konstantin Tsiolkovsky em 1903. Além de ser o pai da astronáutica, ele concebeu ideias como o elevador espacial (inspirado na Torre Eiffel), uma estação espacial giratória que criava imagens artificiais gravidade ao longo da circunferência externa, eclusas de ar , trajes espaciais para atividades extra-veiculares (EVA), ecossistemas fechados para fornecer alimentos e oxigênio e energia solar no espaço. Tsiolkovsky acreditava que a ocupação humana do espaço era o caminho inevitável para nossa espécie. Em 1952, Wernher von Braun publicou seu próprio conceito de estação espacial habitada em uma série de artigos de revistas. Seu design foi uma atualização de conceitos anteriores, mas ele deu o passo único ao ir diretamente ao público com ele. A estação espacial giratória teria três conveses e funcionaria como um auxílio à navegação, estação meteorológica, observatório da Terra, plataforma militar e ponto de passagem para futuras missões de exploração ao espaço sideral. Diz-se que a estação espacial retratada em 2001: A Space Odyssey traça sua herança de design com o trabalho de Von Braun. Wernher von Braun passou a conceber esquemas de missões para a Lua e Marte, sempre publicando seus grandes planos no Collier's Weekly .

O vôo de Yuri Gagarin em 12 de abril de 1961 foi o primeiro vôo espacial da humanidade . Embora a missão fosse um primeiro passo necessário, Gagarin estava mais ou menos confinado a uma cadeira com uma pequena janela de onde observar o cosmos - muito longe das possibilidades da vida no espaço. Seguir as missões espaciais melhorou gradualmente as condições de vida e a qualidade de vida na órbita baixa da Terra . A expansão do espaço para movimento, regimes de exercícios físicos, instalações sanitárias, melhor qualidade dos alimentos e atividades recreativas, tudo acompanhado de durações de missão mais longas. O envolvimento arquitetônico no espaço foi realizado em 1968 quando um grupo de arquitetos e designers industriais liderados por Raymond Loewy, apesar das objeções dos engenheiros, prevaleceu em convencer a NASA a incluir uma janela de observação no laboratório orbital Skylab . Este marco representa a introdução da dimensão psicológica humana no design de naves espaciais. A arquitetura espacial nasceu.

Teoria

O assunto da teoria da arquitetura tem muita aplicação na arquitetura espacial. Algumas considerações, entretanto, serão exclusivas ao contexto espacial.

Ideologia de construção

Louis Sullivan cunhou a frase "a forma sempre segue a função"

No primeiro século aC, o arquiteto romano Vitrúvio disse que todos os edifícios deveriam ter três coisas: força, utilidade e beleza. A obra De Architectura de Vitruvius , a única obra sobrevivente sobre o assunto desde a antiguidade clássica, teria profunda influência na teoria da arquitetura por milhares de anos. Mesmo na arquitetura espacial, essas são algumas das primeiras coisas que consideramos. No entanto, o enorme desafio de viver no espaço levou ao projeto de habitat baseado em grande parte na necessidade funcional com pouco ou nenhum ornamento aplicado . Nesse sentido, a arquitetura espacial como a conhecemos compartilha o princípio da forma segue o princípio da função com a arquitetura moderna .

Alguns teóricos relacionam diferentes elementos da tríade vitruviana. Walter Gropius escreve:

'Beleza' se baseia no domínio perfeito de todos os pré-requisitos científicos, tecnológicos e formais da tarefa ... A abordagem do Funcionalismo significa projetar os objetos organicamente com base em seus próprios postulados contemporâneos, sem qualquer embelezamento romântico ou gracejo.

À medida que a arquitetura espacial continua a amadurecer como disciplina, o diálogo sobre os valores do projeto arquitetônico se abrirá, assim como aconteceu com a Terra.

Análogos

A Mars Desert Research Station está localizada no deserto de Utah devido à sua relativa semelhança com a superfície marciana

Um ponto de partida para a teoria da arquitetura espacial é a busca por ambientes extremos em ambientes terrestres onde os humanos viveram, e a formação de análogos entre esses ambientes e o espaço. Por exemplo, os humanos viveram em submarinos nas profundezas do oceano, em bunkers abaixo da superfície da Terra e na Antártica , e entraram com segurança em edifícios em chamas, em zonas contaminadas radioativamente e na estratosfera com a ajuda da tecnologia. O reabastecimento aéreo permite que o Força Aérea Um permaneça no ar virtualmente indefinidamente. Submarinos movidos a energia nuclear geram oxigênio usando eletrólise e podem ficar submersos por meses a fio. Muitos desses análogos podem ser referências de projeto muito úteis para sistemas espaciais. Na verdade, os sistemas de suporte de vida de estações espaciais e equipamentos de sobrevivência de astronautas para pousos de emergência apresentam semelhanças impressionantes com sistemas de suporte de vida submarinos e kits de sobrevivência de pilotos militares, respectivamente.

As missões espaciais, especialmente as humanas, requerem uma preparação extensa. Além de análogos terrestres que fornecem uma visão do projeto, os ambientes análogos podem servir como testbeds para desenvolver tecnologias para aplicações espaciais e treinar equipes de astronautas. A Flashline Mars Arctic Research Station é uma base simulada em Marte, mantida pela Mars Society , na remota Ilha de Devon , no Canadá . O projeto visa criar condições tão semelhantes quanto possível a uma missão real de Marte e tenta estabelecer o tamanho ideal da tripulação, testar o equipamento "no campo" e determinar os melhores trajes e procedimentos para atividades extra-veiculares. Para treinar para EVAs em microgravidade , as agências espaciais fazem amplo uso de treinamento subaquático e em simulador . O Neutral Buoyancy Laboratory , instalação de treinamento subaquático da NASA, contém modelos em escala real do compartimento de carga do Ônibus Espacial e dos módulos da Estação Espacial Internacional. O desenvolvimento de tecnologia e o treinamento de astronautas em ambientes análogos ao espaço são essenciais para tornar possível a vida no espaço.

No espaço

Fundamental para a arquitetura espacial é projetar para o bem-estar físico e psicológico no espaço. O que muitas vezes é dado como certo na Terra - ar, água, comida, eliminação de lixo - deve ser planejado com detalhes meticulosos. Rigorosos regimes de exercícios são necessários para aliviar a atrofia muscular e outros efeitos do espaço no corpo . O fato de as missões espaciais serem (idealmente) fixas em duração pode levar ao estresse do isolamento. Esse problema não é diferente daquele enfrentado em estações de pesquisa remotas ou em missões militares, embora as condições de gravidade fora do padrão possam exacerbar sentimentos de estranheza e saudade de casa. Além disso, o confinamento em espaços físicos limitados e imutáveis parece aumentar as tensões interpessoais em pequenas tripulações e contribuir para outros efeitos psicológicos negativos. Essas tensões podem ser mitigadas estabelecendo contato regular com a família e amigos na Terra, mantendo a saúde, incorporando atividades recreativas e trazendo itens familiares, como fotografias e plantas verdes. A importância dessas medidas psicológicas pode ser apreciada no projeto soviético da 'Base Lunar DLB' de 1968:

... foi planejado que as unidades na Lua teriam uma janela falsa, mostrando cenas do interior da Terra que mudariam para corresponder com a temporada em Moscou. A bicicleta ergométrica estava equipada com um projetor de filmes sincronizado, que permitia ao cosmonauta dar um 'passeio' para fora de Moscou na volta.

Mir era uma estação espacial "modular". Essa abordagem permite que um habitat funcione antes que a montagem seja concluída e seu design possa ser alterado trocando os módulos.

O desafio de levar tudo para o espaço, devido às restrições de lançamento, teve um efeito profundo nas formas físicas da arquitetura espacial. Todos os habitats espaciais até o momento usaram design de arquitetura modular. As dimensões da carenagem da carga útil (normalmente a largura, mas também a altura) dos veículos de lançamento modernos limitam o tamanho dos componentes rígidos lançados no espaço. Esta abordagem para construir estruturas de grande escala no espaço envolve lançar vários módulos separadamente e, em seguida, montá-los manualmente depois. A arquitetura modular resulta em um layout semelhante a um sistema de túnel em que a passagem por vários módulos geralmente é necessária para chegar a qualquer destino específico. Também tende a padronizar o diâmetro interno ou a largura das salas pressurizadas, com máquinas e móveis colocados ao longo da circunferência. Esses tipos de estações espaciais e bases de superfície geralmente só podem crescer com a adição de módulos adicionais em uma ou mais direções. Encontrar espaço de trabalho e de vida adequado é muitas vezes um grande desafio com a arquitetura modular. Como solução, móveis flexíveis (mesas desmontáveis, cortinas sobre trilhos, camas desdobráveis) podem ser usados para transformar interiores para diferentes funções e alterar a divisão entre espaço privado e espaço de grupo. Para mais discussão sobre os fatores que influenciam a forma na arquitetura espacial, consulte a seção Variedades .

Eugène Viollet-le-Duc defendeu diferentes formas arquitetônicas para diferentes materiais. Isso é especialmente importante na arquitetura espacial. As restrições de massa com o lançamento de engenheiros empurram para encontrar materiais cada vez mais leves com propriedades de material adequadas. Além disso, os desafios exclusivos do ambiente do espaço orbital , como a rápida expansão térmica devido a mudanças abruptas na exposição solar e a corrosão causada pelo bombardeio de partículas e oxigênio atômico, exigem soluções de materiais exclusivas. Assim como a era industrial produziu novos materiais e abriu novas possibilidades arquitetônicas, os avanços na tecnologia dos materiais mudarão as perspectivas da arquitetura espacial. A fibra de carbono já está sendo incorporada ao hardware espacial por causa de sua alta relação resistência / peso. As investigações estão em andamento para ver se a fibra de carbono ou outros materiais compostos serão adotados para os principais componentes estruturais no espaço. O princípio arquitetônico que defende o uso dos materiais mais apropriados e deixando sua natureza sem adornos é chamado de verdade para os materiais .

Uma diferença notável entre o contexto orbital da arquitetura espacial e a arquitetura baseada na Terra é que as estruturas em órbita não precisam suportar seu próprio peso. Isso é possível devido à condição de microgravidade dos objetos em queda livre. Na verdade, muito hardware espacial, como o Ônibus Espacial 'O braço robótico da , foi projetado apenas para funcionar em órbita e não seria capaz de levantar seu próprio peso na superfície da Terra. A microgravidade também permite que um astronauta mova um objeto de praticamente qualquer massa, embora lentamente, desde que ele ou ela esteja adequadamente restrito a outro objeto. Portanto, as considerações estruturais para o ambiente orbital são drasticamente diferentes daquelas dos edifícios terrestres, e o maior desafio para manter uma estação espacial unida geralmente é lançar e montar os componentes intactos. A construção em superfícies extraterrestres ainda precisa ser projetada para suportar seu próprio peso, mas seu peso dependerá da força do campo gravitacional local .

Infraestrutura terrestre

O vôo espacial humano atualmente requer uma grande quantidade de infraestrutura de apoio na Terra. Todas as missões orbitais humanas até agora foram orquestradas pelo governo. O órgão organizacional que gerencia as missões espaciais é tipicamente uma agência espacial nacional , NASA no caso dos Estados Unidos e Roscosmos para a Rússia. Essas agências são financiadas em nível federal. Na NASA, os controladores de vôo são responsáveis pelas operações da missão em tempo real e trabalham no local nos Centros da NASA. A maior parte do trabalho de desenvolvimento de engenharia envolvido com veículos espaciais é terceirizado para empresas privadas, que por sua vez podem empregar seus próprios subcontratados , enquanto a pesquisa fundamental e o projeto conceitual são frequentemente realizados na academia por meio de financiamento de pesquisa .

Variedades

Suborbital

Estruturas que cruzam a fronteira do espaço, mas não atingem velocidades orbitais, são consideradas arquitetura suborbital . Por avião espacial , a arquitetura tem muito em comum com o avião arquitetura, especialmente aqueles de pequenos jatos executivos .

Nave espacial

Uma maquete do interior da SpaceShipTwo

Em 21 de junho de 2004, Mike Melvill alcançou o espaço financiado inteiramente por meios privados. O veículo, SpaceShipOne , foi desenvolvido pela Scaled Composites como um precursor experimental de uma frota privada de aviões espaciais para turismo espacial suborbital . O modelo operacional do avião espacial , SpaceShipTwo (SS2), será carregado a uma altitude de cerca de 15 quilômetros por um avião porta-aviões do tamanho B-29 Superfortress , WhiteKnightTwo . De lá, o SS2 irá se desprender e disparar seu motor de foguete para levar a nave ao apogeu de aproximadamente 110 quilômetros. Como o SS2 não foi projetado para entrar em órbita ao redor da Terra, é um exemplo de arquitetura suborbital ou aeroespacial .

A arquitetura do veículo SpaceShipTwo é um pouco diferente do que é comum em veículos espaciais anteriores. Ao contrário dos interiores desordenados com maquinários protuberantes e muitos interruptores obscuros de veículos anteriores, esta cabine parece mais algo saído da ficção científica do que uma espaçonave moderna. Tanto o SS2 quanto o porta-aviões estão sendo construídos com materiais compostos leves em vez de metal. Quando chegar a hora da ausência de gravidade em um vôo SS2, o motor do foguete será desligado, encerrando o ruído e a vibração. Os passageiros poderão ver a curvatura da Terra. Numerosas janelas de vidros duplos que circundam a cabine oferecem vistas em quase todas as direções. Os assentos almofadados reclinam-se totalmente no chão para maximizar o espaço de flutuação. Um interior sempre pressurizado será projetado para eliminar a necessidade de trajes espaciais.

Orbital

Arquitetura orbital é a arquitetura de estruturas projetadas para orbitar ao redor da Terra ou outro objeto astronômico . Exemplos de arquitetura orbital atualmente operacional são a Estação Espacial Internacional e os veículos de reentrada do Ônibus Espacial , a espaçonave Soyuz e a espaçonave Shenzhou . As naves históricas incluem a estação espacial Mir , Skylab e a espaçonave Apollo . A arquitetura orbital geralmente aborda a condição de ausência de peso, falta de proteção atmosférica e magnetosférica da radiação solar e cósmica , ciclos diurnos / noturnos rápidos e, possivelmente, risco de colisão de detritos orbitais . Além disso, os veículos de reentrada também devem ser adaptados à ausência de gravidade e às altas temperaturas e acelerações experimentadas durante a reentrada atmosférica .

Estação Espacial Internacional

Astronauta (centro superior) trabalha na Estrutura Treliça Integrada da ISS

A Estação Espacial Internacional (ISS) é a única estrutura permanentemente habitada atualmente no espaço. É do tamanho de um campo de futebol americano e tem uma equipe de seis pessoas. Com um volume vital de 358 m³, possui mais espaço interno do que as plataformas de carga de dois caminhões americanos de 18 rodas. No entanto, devido ao ambiente de microgravidade da estação espacial, nem sempre há paredes, pisos e tetos bem definidos e todas as áreas pressurizadas podem ser utilizadas como espaço de vida e de trabalho. A Estação Espacial Internacional ainda está em construção. Os módulos foram lançados principalmente usando o Ônibus Espacial até sua desativação e foram montados por sua tripulação com a ajuda da tripulação de trabalho a bordo da estação espacial. Os módulos ISS costumam ser projetados e construídos para caber no compartimento de carga útil do ônibus espacial, que é cilíndrico com 4,6 metros de diâmetro.

Uma vista interna do módulo Columbus

A vida a bordo da estação espacial é diferente da vida terrestre em alguns aspectos muito interessantes. Os astronautas geralmente "flutuam" objetos uns para os outros; por exemplo, eles darão um empurrão inicial em uma prancheta e ela deslizará para o receptor do outro lado da sala. Na verdade, um astronauta pode ficar tão acostumado com esse hábito que se esquece de que ele não funciona mais quando retornam à Terra. A dieta dos viajantes espaciais da ISS é uma combinação dos alimentos espaciais das nações participantes . Cada astronauta seleciona um menu personalizado antes do voo. Muitas escolhas alimentares refletem as diferenças culturais dos astronautas, como bacon e ovos versus produtos de peixe no café da manhã (para os EUA e a Rússia, respectivamente). Mais recentemente, iguarias como curry de carne japonesa, kimchi e peixe-espada (estilo Riviera) foram apresentadas no posto avançado em órbita. Como grande parte da comida da ISS é desidratada ou lacrada em bolsas no estilo MRE , os astronautas estão bastante animados para obter comida relativamente fresca das missões de reabastecimento do ônibus espacial e do Progress . Os alimentos são armazenados em embalagens que facilitam a alimentação na microgravidade ao mantê-los restritos à mesa. A embalagem usada e o lixo devem ser coletados para serem carregados em uma espaçonave disponível para descarte. A gestão de resíduos não é tão simples como na Terra. A ISS tem muitas janelas para observar a Terra e o espaço, uma das atividades de lazer preferidas dos astronautas. Como o Sol nasce a cada 90 minutos, as janelas são cobertas à "noite" para ajudar a manter o ciclo de sono de 24 horas.

Quando um ônibus espacial está operando em órbita baixa da Terra, a ISS serve como um refúgio de segurança em caso de emergência . A incapacidade de se voltar para a segurança da ISS durante a última missão de manutenção do Telescópio Espacial Hubble (por causa das inclinações orbitais diferentes ) foi a razão pela qual uma nave auxiliar foi convocada para a plataforma de lançamento. Portanto, os astronautas da ISS operam com a mentalidade de que podem ser chamados para dar abrigo a uma tripulação do ônibus espacial, caso algo aconteça que comprometa uma missão. A Estação Espacial Internacional é um projeto colossal de cooperação entre muitas nações. A atmosfera predominante a bordo é de diversidade e tolerância. Isso não significa que seja perfeitamente harmonioso. Os astronautas experimentam as mesmas frustrações e brigas interpessoais que seus colegas baseados na Terra.

Um dia típico na estação pode começar com o despertar às 6h00 dentro de uma cabine privativa à prova de som no alojamento da tripulação. Os astronautas provavelmente encontrariam seus sacos de dormir na posição vertical amarrados à parede, porque a orientação não importa no espaço. As coxas do astronauta seriam levantadas cerca de 50 graus da vertical. Esta é a postura do corpo neutro na ausência de peso - seria excessivamente cansativo "sentar" ou "ficar em pé", como é comum na Terra. Rastejando para fora de sua cabine, um astronauta pode conversar com outros astronautas sobre os experimentos científicos do dia, conferências de controle de missão, entrevistas com terráqueos e talvez até mesmo uma caminhada espacial ou a chegada de um ônibus espacial.

Bigelow Aerospace (fora do mercado desde março de 2020)

A Bigelow Aerospace deu um passo único ao garantir duas patentes da NASA mantidas desde o desenvolvimento do conceito Transhab em relação a estruturas espaciais infláveis. A empresa agora tem direitos exclusivos para o desenvolvimento comercial da tecnologia do módulo inflável. Em 12 de julho de 2006, o habitat espacial experimental Genesis I foi lançado na órbita terrestre baixa. Genesis I demonstrou a viabilidade básica de estruturas espaciais infláveis, mesmo carregando uma carga útil de experimentos de ciências da vida. O segundo módulo, Genesis II , foi lançado em órbita em 28 de junho de 2007 e testou várias melhorias em relação ao seu antecessor. Entre eles estão os conjuntos de rodas de reação , um sistema de medição de precisão para orientação, nove câmeras adicionais, controle de gás aprimorado para a inflação do módulo e um conjunto aprimorado de sensores integrados.

Embora a arquitetura Bigelow ainda seja modular, a configuração inflável permite muito mais volume interno do que módulos rígidos. O BA-330 , o modelo de produção em grande escala da Bigelow, tem mais do que o dobro do volume do maior módulo da ISS. Módulos infláveis podem ser acoplados a módulos rígidos e são especialmente adequados para residências de tripulantes e áreas de trabalho. Em 2009, a NASA começou a considerar anexar um módulo Bigelow à ISS, depois de abandonar o conceito Transhab mais de uma década antes. Os módulos provavelmente terão um núcleo interno sólido para suporte estrutural. O espaço útil circundante pode ser dividido em quartos e andares diferentes. O Bigelow Expandable Activity Module (BEAM) foi transportado para a ISS chegando em 10 de abril de 2016, dentro do porta-malas de carga não pressurizado de um SpaceX Dragon durante a missão de carga SpaceX CRS-8 .

A Bigelow Aerospace pode optar por lançar muitos de seus módulos de forma independente, alugando seu uso para uma ampla variedade de empresas, organizações e países que não podem pagar seus próprios programas espaciais. Os possíveis usos deste espaço incluem pesquisa de microgravidade e fabricação de espaço . Ou podemos ver um hotel espacial privado composto por vários módulos Bigelow para quartos, observatórios ou mesmo um ginásio recreativo acolchoado. Existe a opção de usar esses módulos para alojamentos em missões espaciais de longa duração no Sistema Solar. Um aspecto surpreendente do voo espacial é que, uma vez que uma nave deixa uma atmosfera, a forma aerodinâmica deixa de ser um problema. Por exemplo, é possível aplicar uma injeção Trans Lunar a uma estação espacial inteira e enviá-la para voar pela lua. Bigelow expressou a possibilidade de seus módulos serem modificados para sistemas de superfície lunar e marciano também.

Lunar

A arquitetura lunar existe tanto na teoria quanto na prática. Hoje, os artefatos arqueológicos de postos humanos temporários permanecem intocados na superfície da lua. Cinco estágios de descida do Módulo Lunar da Apollo ficam de pé em vários locais na região equatorial do Lado Próximo , sugerindo os esforços extraterrestres da humanidade. A hipótese principal sobre a origem da Lua não ganhou seu status atual até depois que as amostras de rocha lunar foram analisadas. A Lua é o ponto mais distante que qualquer ser humano já se aventurou de sua casa, e a arquitetura espacial é o que os mantém vivos e permitem que funcionem como humanos.

Apollo

Tocar mídia

O estágio de ascensão do Módulo Lunar explode na Lua em 1972, deixando o estágio de descida para trás. Vista da câmera de TV no lunar rover .

No cruzeiro para a Lua, os astronautas da Apollo tinham duas "salas" para escolher - o Módulo de Comando (CM) ou o Módulo Lunar (LM). Isso pode ser visto no filme Apollo 13, onde os três astronautas foram forçados a usar o LM como um barco salva-vidas de emergência. A passagem entre os dois módulos era possível por meio de um túnel de atracação pressurizado, uma grande vantagem sobre o projeto soviético , que exigia vestir um traje espacial para trocar os módulos. O Módulo de Comando apresentava cinco janelas feitas de três painéis grossos de vidro. Os dois painéis internos, feitos de aluminossilicato , garantiam que o ar da cabine não vazasse para o espaço. O painel externo serviu como um escudo de detritos e parte do escudo de calor necessário para a reentrada atmosférica . O CM era uma espaçonave sofisticada com todos os sistemas necessários para um vôo bem-sucedido, mas com um volume interno de 6,17 m ^3, poderia ser considerado restrito para três astronautas. Ele tinha seus pontos fracos de design, como nenhum banheiro (os astronautas usavam os tão odiados 'tubos de alívio' e bolsas fecais). A chegada da estação espacial traria sistemas de suporte de vida eficazes com tecnologias de gestão de resíduos e recuperação de água.

O Módulo Lunar teve dois estágios. Um estágio superior pressurizado, denominado estágio Ascent, foi a primeira nave espacial verdadeira, pois só poderia operar no vácuo do espaço. O estágio de descida carregava o motor usado para descida, trem de pouso e radar, combustível e consumíveis, a famosa escada e o Lunar Rover durante as missões posteriores da Apollo. A ideia por trás do teste é reduzir a massa posteriormente em um vôo e é a mesma estratégia usada em um foguete de vários estágios lançado na Terra . O piloto LM levantou-se durante a descida para a lua. O pouso foi realizado por meio de controle automatizado com modo de backup manual. Não havia eclusa de ar no LM, então toda a cabine teve que ser evacuada (ventilação para o espaço) para enviar um astronauta para andar na superfície. Para se manterem vivos, os dois astronautas do LM teriam que entrar em seus trajes espaciais neste momento. O Módulo Lunar funcionou bem para o que foi projetado. No entanto, uma grande incógnita permaneceu durante todo o processo de design - os efeitos da poeira lunar . Cada astronauta que caminhou na Lua rastreou a poeira lunar, contaminando o LM e mais tarde o CM durante o Encontro da Órbita Lunar . Essas partículas de poeira não podem ser removidas no vácuo e foram descritas por John Young da Apollo 16 como minúsculas lâminas de barbear. Logo se percebeu que para os humanos viverem na Lua, a mitigação de poeira era uma das muitas questões que deveriam ser levadas a sério.

Programa Constelação

O Estudo de Arquitetura de Sistemas de Exploração que se seguiu à Visão para Exploração Espacial de 2004 recomendou o desenvolvimento de uma nova classe de veículos com capacidades semelhantes aos seus predecessores Apollo, com várias diferenças importantes. Em parte para reter parte da força de trabalho do programa do ônibus espacial e da infraestrutura terrestre, os veículos de lançamento deveriam usar tecnologias derivadas do ônibus espacial . Em segundo lugar, em vez de lançar a tripulação e a carga no mesmo foguete, o menor Ares I deveria lançar a tripulação com o maior Ares V para lidar com a carga mais pesada. As duas cargas úteis deveriam se encontrar na órbita baixa da Terra e então seguir para a Lua de lá. O Módulo Lunar Apollo não poderia transportar combustível suficiente para alcançar as regiões polares da Lua, mas a sonda lunar Altair foi projetada para acessar qualquer parte da Lua. Embora o Altair e os sistemas de superfície fossem igualmente necessários para o programa Constellation dar frutos, o foco estava no desenvolvimento da espaçonave Orion para reduzir a lacuna no acesso dos EUA à órbita após a aposentadoria do ônibus espacial em 2010.

Até a NASA descreveu a arquitetura do Constellation como 'Apollo com esteróides'. No entanto, um retorno ao design comprovado da cápsula é uma jogada bem-vinda por muitos.

marciano

A arquitetura marciana é a arquitetura projetada para sustentar a vida humana na superfície de Marte e todos os sistemas de suporte necessários para tornar isso possível. A amostragem direta de gelo de água na superfície e a evidência de fluxos de água semelhantes a gêiseres na última década tornaram Marte o ambiente extraterrestre mais provável para encontrar água líquida e, portanto , vida alienígena , no Sistema Solar. Além disso, algumas evidências geológicas sugerem que Marte poderia ter sido quente e úmido em escala global em seu passado distante. A intensa atividade geológica remodelou a superfície da Terra, apagando as evidências de nossa história mais antiga. As rochas marcianas podem ser ainda mais antigas do que as rochas da Terra, no entanto, explorar Marte pode nos ajudar a decifrar a história de nossa própria evolução geológica, incluindo a origem da vida na Terra . Marte tem uma atmosfera, embora sua pressão superficial seja inferior a 1% da da Terra. Sua gravidade superficial é cerca de 38% da da Terra. Embora uma expedição humana a Marte ainda não tenha ocorrido, tem havido um trabalho significativo no projeto do habitat marciano. A arquitetura marciana geralmente se enquadra em uma de duas categorias: arquitetura importada da Terra totalmente montada e arquitetura que usa recursos locais.

Von Braun e outras propostas iniciais

Wernher von Braun foi o primeiro a apresentar uma proposta tecnicamente abrangente para uma expedição tripulada a Marte. Em vez de um perfil de missão mínimo como o Apollo, von Braun imaginou uma tripulação de 70 astronautas a bordo de uma frota de dez espaçonaves maciças. Cada nave seria construída em órbita baixa da Terra, exigindo cerca de 100 lançamentos separados antes que uma fosse totalmente montada. Sete das espaçonaves seriam para a tripulação, enquanto três foram designadas como navios de carga. Havia até projetos de pequenos "barcos" para transportar tripulação e suprimentos entre os navios durante o cruzeiro para o Planeta Vermelho, que deveria seguir uma trajetória de transferência de energia mínima de Hohmann . Este plano de missão envolveria tempos de trânsito unilateral da ordem de oito meses e uma longa estadia em Marte, criando a necessidade de acomodações de longa duração no espaço. Após a chegada ao Planeta Vermelho, a frota entraria na órbita de Marte e permaneceria lá até que as sete naves humanas estivessem prontas para retornar à Terra. Apenas os planadores de pouso , que estavam armazenados nos navios de carga, e seus estágios de subida associados, viajariam para a superfície. Habitats infláveis seriam construídos na superfície junto com uma pista de pouso para facilitar mais pousos de planadores. Todos os propelentes e consumíveis necessários deveriam ser trazidos da Terra na proposta de von Braun. Alguns tripulantes permaneceram nas naves de passageiros durante a missão de observação orbital de Marte e para manter as naves. Os navios de passageiros tinham esferas de habitação de 20 metros de diâmetro. Como o membro médio da tripulação passaria muito tempo nessas naves (cerca de 16 meses de trânsito mais mudanças rotativas na órbita de Marte), o design do habitat para as naves era parte integrante desta missão.

Von Braun estava ciente da ameaça representada pela exposição prolongada à ausência de peso. Ele sugeriu amarrar navios de passageiros juntos para girar em torno de um centro de massa comum ou incluir "células de gravidade" autorrotatórias em forma de haltere para flutuar ao lado da flotilha para fornecer a cada membro da tripulação algumas horas de gravidade artificial por dia. Na época da proposta de von Braun, pouco se sabia sobre os perigos da radiação solar além da Terra e era a radiação cósmica que apresentava o desafio mais formidável. A descoberta dos cinturões de Van Allen em 1958 demonstrou que a Terra estava protegida de partículas solares de alta energia. Para a parte superficial da missão, os habitats infláveis sugerem o desejo de maximizar o espaço vital. É claro que von Braun considerava os membros da expedição parte de uma comunidade com muito tráfego e interação entre as embarcações.

A União Soviética conduziu estudos de exploração humana de Marte e apresentou projetos de missão um pouco menos épicos (embora não faltassem tecnologias exóticas) em 1960 e 1969. A primeira das quais usou propulsão elétrica para trânsito interplanetário e reatores nucleares como usinas de energia. Em espaçonaves que combinam tripulação humana e reatores nucleares, o reator é geralmente colocado a uma distância máxima dos alojamentos da tripulação, geralmente na extremidade de um poste longo, para segurança contra radiação. Um componente interessante da missão de 1960 foi a arquitetura de superfície. Um "trem" com rodas para terrenos acidentados seria montado com módulos de pesquisa pousados, um dos quais era uma cabine de tripulação. O trem deveria atravessar a superfície de Marte do pólo sul ao pólo norte, uma meta extremamente ambiciosa mesmo para os padrões atuais. Outros planos soviéticos, como o TMK, evitavam os grandes custos associados ao pouso na superfície marciana e defendiam voos pilotados (tripulados) de Marte. As missões de sobrevôo, como a Apollo 8 lunar , estendem a presença humana a outros mundos com menos risco do que pousos. A maioria das primeiras propostas soviéticas exigiam lançamentos usando o malfadado foguete N1 . Eles também geralmente envolviam menos tripulação do que seus colegas americanos. Os primeiros conceitos de arquitetura marciana geralmente apresentavam montagem em órbita baixa da Terra, trazendo todos os consumíveis necessários da Terra e trabalho designado versus áreas vivas. A visão moderna da exploração de Marte não é a mesma.

Iniciativas recentes

Em todos os estudos sérios sobre o que seria necessário para pousar os humanos em Marte, mantê-los vivos e, em seguida, devolvê-los à Terra, a massa total necessária para a missão é simplesmente impressionante. O problema está em que para lançar a quantidade de consumíveis (oxigênio, comida e água) que até mesmo uma pequena tripulação passaria durante uma missão multianual a Marte, seria necessário um foguete muito grande com a grande maioria de sua própria massa sendo propelente . É daí que vêm os múltiplos lançamentos e montagens na órbita terrestre. No entanto, mesmo se tal navio estocado cheio de mercadorias pudesse ser colocado em órbita, seria necessário um (grande) suprimento adicional de propelente para enviá-lo a Marte. O delta-v , ou mudança na velocidade, necessário para inserir uma espaçonave da órbita da Terra para uma órbita de transferência de Marte é de muitos quilômetros por segundo. Quando pensamos em levar os astronautas à superfície de Marte e de volta para casa, rapidamente percebemos que uma enorme quantidade de propelente é necessária se tudo for retirado da Terra. Esta foi a conclusão alcançada em 1989 '90 -Day Study 'iniciado pela NASA em resposta à Iniciativa de Exploração Espacial .

A NASA Design Reference Mission 3.0 incorporou muitos conceitos da proposta Mars Direct

Várias técnicas mudaram a perspectiva da exploração de Marte. O mais poderoso deles é a utilização de recursos in-situ. Usando hidrogênio importado da Terra e dióxido de carbono da atmosfera marciana, a reação de Sabatier pode ser usada para fabricar metano (para propelente de foguete) e água (para beber e para produção de oxigênio por eletrólise ). Outra técnica para reduzir os requisitos de propelente trazidos pela Terra é a aerofrenagem . A aerofrenagem envolve deslizar as camadas superiores de uma atmosfera, ao longo de muitas passagens, para diminuir a velocidade de uma espaçonave. É um processo demorado que se mostra muito promissor em desacelerar os embarques de alimentos e suprimentos. O programa Constellation da NASA pede o pouso de humanos em Marte depois que uma base permanente na Lua for demonstrada, mas os detalhes da arquitetura da base estão longe de ser estabelecidos. É provável que o primeiro assentamento permanente consista em equipes consecutivas pousando módulos de habitat pré-fabricados no mesmo local e ligando-os para formar uma base.

Em alguns desses modelos modernos de economia da missão a Marte, vemos o tamanho da tripulação reduzido a um mínimo de 4 ou 6. Essa perda na variedade de relações sociais pode levar a desafios na formação de respostas sociais equilibradas e formar um senso completo de identidade . Segue-se que, se as missões de longa duração devem ser realizadas com equipes muito pequenas, a seleção inteligente da tripulação é de primordial importância. A atribuição de funções é outra questão em aberto no planejamento da missão a Marte. O papel principal do 'piloto' é obsoleto quando o pouso leva apenas alguns minutos em uma missão que dura centenas de dias, e quando esse pouso será automatizado de qualquer maneira. A atribuição de funções dependerá muito do trabalho a ser feito na superfície e exigirá que os astronautas assumam responsabilidades múltiplas. Quanto aos habitats infláveis de arquitetura de superfície, talvez até fornecidos pela Bigelow Aerospace , permanecem uma opção possível para maximizar o espaço de vida. Em missões posteriores, os tijolos poderiam ser feitos de uma mistura de regolito marciano para blindagem ou mesmo componentes estruturais herméticos primários. O ambiente em Marte oferece diferentes oportunidades para o design de trajes espaciais , até mesmo algo como o Bio-Suit colante à pele .

Uma série de propostas de design de habitat específicas foram apresentadas, em vários graus de análise arquitetônica e de engenharia. Uma proposta recente - e a vencedora da competição Mars Habitat 2015 da NASA - é a Mars Ice House . O conceito de design é para um habitat na superfície de Marte, impresso em 3D em camadas de água gelada no interior de uma membrana inflável de retenção de pressão fabricada na Terra. A estrutura concluída seria semitransparente, absorvendo radiação prejudicial em vários comprimentos de onda, enquanto admitia aproximadamente 50 por cento da luz no espectro visível . O habitat é proposto para ser inteiramente montado e construído a partir de uma espaçonave robótica autônoma e bots, embora a habitação humana com aproximadamente 2 a 4 habitantes seja considerada uma vez que o habitat esteja totalmente construído e testado.

Robótica

É amplamente aceito que o reconhecimento robótico e as missões de desbravamento precederão a exploração humana de outros mundos. Tomar uma decisão informada sobre quais destinos específicos justificam o envio de exploradores humanos requer mais dados do que os melhores telescópios baseados na Terra podem fornecer. Por exemplo, a seleção do local de pouso para os pousos da Apollo baseou-se em dados de três programas robóticos diferentes: o programa Ranger , o programa Lunar Orbiter e o programa Surveyor . Antes que um humano fosse enviado, a espaçonave robótica mapeou a superfície lunar, provou a viabilidade de pousos suaves, filmou o terreno bem de perto com câmeras de televisão e escavou e analisou o solo.

Uma missão de exploração robótica é geralmente projetada para transportar uma ampla variedade de instrumentos científicos, variando de câmeras sensíveis a comprimentos de onda específicos, telescópios, espectrômetros , dispositivos de radar , acelerômetros , radiômetros e detectores de partículas, para citar alguns. A função destes instrumentos é normalmente devolver dados científicos mas também pode dar uma "sensação" intuitiva do estado da nave, permitindo uma familiarização subconsciente com o território a ser explorado, através da telepresença . Um bom exemplo disso é a inclusão de câmeras HDTV no orbitador lunar japonês SELENE . Embora instrumentos puramente científicos pudessem ser usados em seu lugar, essas câmeras permitem o uso de um sentido inato para perceber a exploração da lua.

A abordagem moderna e equilibrada para explorar um destino extraterrestre envolve várias fases de exploração, cada uma das quais precisa produzir uma justificativa para avançar para a próxima fase. A fase imediatamente anterior à exploração humana pode ser descrita como sensação antropocêntrica, isto é, sensação projetada para dar aos humanos a sensação mais realista possível de realmente explorar em pessoa. Além disso, a linha entre um sistema humano e um sistema robótico no espaço nem sempre será clara. Como regra geral, quanto mais formidável o ambiente, mais essencial é a tecnologia robótica. Os sistemas robóticos podem ser amplamente considerados parte da arquitetura espacial quando seu propósito é facilitar a habitação do espaço ou estender o alcance dos sentidos fisiológicos no espaço.

Futuro

O futuro da arquitetura espacial depende da expansão da presença humana no espaço . De acordo com o modelo histórico de missões de exploração orquestradas pelo governo iniciadas por administrações políticas únicas , as estruturas espaciais provavelmente serão limitadas a habitats de pequena escala e módulos orbitais com ciclos de vida de projeto de apenas vários anos ou décadas. Os projetos e, portanto, a arquitetura, geralmente serão fixos e sem feedback em tempo real dos próprios viajantes espaciais. A tecnologia para reparar e atualizar os habitats existentes, uma prática amplamente difundida na Terra, provavelmente não será desenvolvida com objetivos de exploração de curto prazo. Se a exploração assumir um caráter multi-administrativo ou internacional, as perspectivas de desenvolvimento da arquitetura espacial pelos próprios habitantes serão mais amplas. O turismo espacial privado é uma forma de acelerar o desenvolvimento do espaço e de uma infraestrutura de transporte espacial. A Virgin Galactic indicou planos para uma nave orbital, a SpaceShipThree . A demanda por turismo espacial não tem limites. Não é difícil imaginar parques lunares ou cruzeiros por Vênus . Outro impulso para se tornar uma espécie viajante do espaço é a defesa planetária .

A missão espacial clássica é a missão de interceptação de asteróides que colidem com a Terra . Usar detonações nucleares para dividir ou desviar o asteróide é, na melhor das hipóteses, arriscado. Essa tática pode realmente piorar o problema, aumentando a quantidade de fragmentos de asteróides que acabam atingindo a Terra. Robert Zubrin escreve:

Se as bombas forem usadas como defletores de asteróides, não podem ser lançadas à toa. Não, antes que qualquer bomba seja detonada, o asteróide terá que ser completamente explorado, sua geologia avaliada e a localização das bombas no subsolo cuidadosamente determinada e precisamente localizada com base em tal conhecimento. Uma equipe humana, composta por topógrafos, geólogos, mineiros, perfuradores e especialistas em demolição, será necessária no local para fazer o trabalho direito.

As sondas robóticas exploraram grande parte do sistema solar, mas os humanos ainda não deixaram a influência da Terra

Se essa tripulação for convocada para um asteróide distante, pode haver maneiras menos arriscadas de desviar o asteróide. Outra estratégia de mitigação de asteróide promissora é pousar uma tripulação no asteróide bem antes da data do impacto e começar a desviar parte de sua massa para o espaço para alterar lentamente sua trajetória. Esta é uma forma de propulsão de foguete em virtude da terceira lei de Newton, com a massa do asteróide como propelente. Quer seja usado uma explosão de armas nucleares ou desvio de massa, uma considerável tripulação humana pode precisar ser enviada ao espaço por muitos meses, senão anos, para cumprir esta missão. Perguntas como como os astronautas vão viver e como será a nave são perguntas para o arquiteto espacial.

Quando as motivações para ir para o espaço são percebidas, o trabalho de mitigação das ameaças mais sérias pode começar. Uma das maiores ameaças à segurança dos astronautas no espaço são os eventos repentinos de radiação de explosões solares . A violenta tempestade solar de agosto de 1972, que ocorreu entre as missões Apollo 16 e Apollo 17, poderia ter produzido consequências fatais se os astronautas tivessem sido pegos expostos na superfície lunar. A proteção mais conhecida contra a radiação no espaço é a blindagem; um escudo especialmente eficaz é a água contida em grandes tanques que cercam os astronautas. Infelizmente, a água tem uma massa de 1000 kg por metro cúbico. Uma abordagem mais prática seria construir "abrigos solares contra tempestades" para os quais os viajantes espaciais possam se retirar durante os eventos de pico. Para que isso funcione, no entanto, seria necessário um sistema de transmissão do clima espacial para avisar os astronautas sobre as tempestades que se aproximam, bem como um sistema de alerta de tsunami avisa os habitantes costeiros do perigo iminente. Talvez um dia uma frota de espaçonaves robóticas orbite perto do Sol, monitorando a atividade solar e enviando minutos preciosos de aviso antes que ondas de partículas perigosas cheguem a regiões habitadas do espaço.

Ninguém sabe qual será o futuro humano a longo prazo no espaço. Talvez depois de ganhar experiência com voos espaciais de rotina explorando diferentes mundos no Sistema Solar e desviando alguns asteróides, a possibilidade de construir habitats espaciais não modulares e infraestrutura esteja dentro da capacidade. Essas possibilidades incluem impulsionadores de massa na Lua, que lançam cargas úteis no espaço usando apenas eletricidade, e colônias espaciais giratórias com sistemas ecológicos fechados . Pode ser visto um Marte nos estágios iniciais de terraformação , onde os habitantes precisam apenas de máscaras de oxigênio simples para andar na superfície. Em qualquer caso, tais futuros requerem arquitetura espacial.

Leitura adicional

Educação em Arquitetura Espacial para Engenheiros e Arquitetos - Designing and Planning Beyond Earth por Haeuplik-Meusburger e Bannova, 2016

Estação Espacial Internacional - Arquitetura Além da Terra de David Nixon, 2016

Space Architecture: The New Frontier for Design Research, de Neal Leach (Ed.), 2014

Architecture for Astronauts - an Activity Based Approach por Haeuplik-Meusburger, 2011

Out of this World - The new Field of Space Architecture por Scott Howe e Brent Sherwood (Ed.), 2009

Galeria

A Estação Espacial Internacional em sua configuração de 2010
Muitas tecnologias de suporte de vida foram adaptadas do submarino .
Uma espaçonave Soyuz acoplada ao Módulo do Núcleo Mir .
Uma espaçonave hipotética realizando um encontro na órbita de Marte .
1989 pintura das operações de superfície de Marte.
A esfera de Bernal é um exemplo de arquitetura espacial não modular.
A gravidade artificial pode ser criada girando uma colônia espacial.
Dyson Sphere é a estrutura para criar assentamentos espaciais no espaço e as esferas Dyson em torno de diferentes objetos espaciais