استوانه اونیل

استوانهٔ اونیل یک زیستگاه فضایی است که فیزیکدان آمریکایی جرارد اونیل در سال ۱۹۷۶ در کتاب خود طراحی کرد. اونیل پیشنهاد استعمار فضا را در سده ۲۱ برای به‌کارگیری مواد استخراجی از ماه و سپس از دیگر سیارک‌ها را داد.

بندانگشتی|ایستاده=۱.۲|تصویر هنری از یک جفت استوانه اونیل
بندانگشتی|ایستاده=۱.۲|راست|نمای داخلی، نشان‌دهنده بخش‌های متناوب خشکی و پنجره

استوانه اونیل (که سکونتگاه اونیل یا جزیره سه نیز نامیده می‌شود) طرحی برای یک سکونتگاه فضایی است که توسط فیزیک‌دان آمریکایی، جرارد کی. اونیل در کتاب سال ۱۹۷۶ او با عنوان «مرزهای فضا: کلونی‌های انسانی در فضا» پیشنهاد شد. اونیل استعمار فضا را برای قرن بیست و یکم، با استفاده از مواد استخراج شده از ماه و بعدها از طریق معدن‌کاری سیارک‌ها پیشنهاد کرد.

استوانه اونیل شامل دو استوانه است که در جهت مخالف هم می‌چرخند. استوانه‌ها در جهت مخالف می‌چرخند تا هرگونه اثر ژیروسکوپی را که در غیر این صورت جهت‌گیری آن‌ها به سمت خورشید را دشوار می‌کرد، خنثی کنند. قطر هر کدام ۶.۴ کیلومتر (۴ مایل) یا ۸ کیلومتر (۵ مایل) و طول آن‌ها ۳۲ کیلومتر (۲۰ مایل) است که در هر انتها توسط یک میله از طریق یک سیستم یاتاقان به هم متصل می‌شوند. چرخش آن‌ها گرانش مصنوعی ایجاد می‌کند.

 پیش‌زمینه 
بندانگشتی|ایستاده=۱.۲|تصویری از داخل یک استوانه اونیل توسط دان دیویس، که انحنای سطح داخلی را نشان می‌دهد.
اونیل در حین تدریس فیزیک مقطع کارشناسی در دانشگاه پرینستون، به دانشجویانش وظیفه طراحی سازه‌های بزرگ در فضای بیرونی را سپرد تا نشان دهد که زندگی پایدار در فضا می‌تواند امکان‌پذیر باشد. چندین طرح قادر بودند حجم‌های کافی برای سکونت انسان را فراهم کنند. این نتیجه مشترک الهام‌بخش ایده استوانه شد و اولین بار توسط اونیل در مقاله سپتامبر ۱۹۷۴ در مجله فیزیک تودی منتشر شد.

پروژه اونیل اولین نمونه از این مفهوم نبود. در سال ۱۹۵۴، دانشمند آلمانی هرمان اوبرت استفاده از استوانه‌های غول‌پیکر قابل سکونت برای سفرهای فضایی را در کتاب خود با عنوان «انسان در فضا—پروژه‌های جدید برای موشک و پرواز فضایی» توصیف کرده بود. در سال ۱۹۷۰، لری نیون نویسنده علمی-تخیلی، مفهوم بزرگتری را در رمان دنیای حلقه‌ای پیشنهاد کرد. سپس سه سال پیش از آنکه اونیل استوانه خود را پیشنهاد دهد، آرتور سی. کلارک از چنین استوانه قابل سکونتی (البته با ساختار فرازمینی) در رمان خود با نام میعاد با راما استفاده کرده بود.

 جزیره‌ها 
اونیل در کتاب سال ۱۹۷۶ خود، سه طرح مرجع را توصیف کرد که به آن‌ها نام مستعار «جزیره» داده بود:

 جزیره یک یک کره در حال چرخش با محیط ۱.۶ کیلومتر (۱ مایل) و قطر ۵۱۵ متر (۱۶۸۱ فوت) است که مردم در منطقه استوایی آن زندگی می‌کنند (به کره برنال مراجعه کنید). مطالعه بعدی ناسا/ایمز در دانشگاه استنفورد، نسخه جایگزینی از جزیره یک را توسعه داد: چنبره استنفورد، که شکلی چنبره‌ای به قطر ۴۸۰ متر (۱۶۰۰ فوت) دارد.

 جزیره دو طراحی کروی دارد و قطر آن ۱۶۰۰ متر (۵۲۰۰ فوت) است.

 طرح جزیره سه که بیشتر به عنوان استوانه اونیل شناخته می‌شود، شامل دو استوانه است که در جهت مخالف هم می‌چرخند. قطر آن‌ها ۶.۴ کیلومتر (۴ مایل) یا ۸ کیلومتر (۵ مایل) است و قابلیت بزرگ شدن تا طول ۳۲ کیلومتر (۲۰ مایل) را دارند. هر استوانه دارای شش نوار با مساحت مساوی است که در طول استوانه امتداد دارند؛ سه نوار پنجره‌های شفاف و سه نوار سطوح قابل سکونت «خشکی» هستند. علاوه بر این، یک حلقه کشاورزی بیرونی به قطر ۳۲ کیلومتر (۲۰ مایل) با سرعت متفاوتی برای پشتیبانی از کشاورزی می‌چرخد. بخش تولید صنعتی سکونتگاه در وسط قرار دارد تا گرانش برای برخی از فرآیندهای تولید به حداقل برسد.

برای صرفه‌جویی در هزینه‌های گزاف پرتاب مواد از زمین، این سکونتگاه‌ها با موادی ساخته می‌شوند که از ماه با یک جرم‌افکن مغناطیسی به فضا پرتاب شده‌اند.

 طراحی 

 زندگی در استوانه 
بندانگشتی|ایستاده=۲|نموداری از یک نمونه جفت استوانه اونیل (جزیره سه)
دکتر اونیل در نسخه سپتامبر ۱۹۷۴ مجله فیزیک تودی استدلال کرد که زندگی در یک استوانه اونیل بهتر از برخی نقاط روی زمین خواهد بود. این امر به دلیل فراوانی غذا، کنترل اقلیم و آب‌وهوا، و عدم نیاز به وسایل نقلیه با موتور احتراقی که دود و آلودگی ایجاد می‌کنند، خواهد بود. ساکنان همچنین با تمرین ورزش‌های فعلی زمین مانند اسکی، قایق‌رانی و کوهنوردی به دلیل گرانش ایجاد شده مصنوعی ناشی از چرخش استوانه، خود را فعال و سرگرم نگه می‌دارند. علاوه بر این ورزش‌ها، ورزش‌های جدیدی نیز به دلیل محصور بودن سکونتگاه در یک استوانه در فضا ایجاد خواهد شد و از این شرایط به طور خلاقانه استفاده می‌شود.

 گرانش مصنوعی 
استوانه‌ها برای تامین گرانش مصنوعی در سطح داخلی خود می‌چرخند. در شعاعی که اونیل توصیف کرده است، سکونتگاه‌ها باید حدود بیست و هشت بار در ساعت بچرخند تا یک گرانش استاندارد زمین را شبیه‌سازی کنند؛ یعنی یک سرعت زاویه‌ای ۲.۸ درجه در ثانیه. تحقیقات در مورد عوامل انسانی در چارچوب‌های مرجع در حال چرخشProceedings of the Symposium on the Role of the Vestibular Organs in Manned Spaceflight, NASA SP-77, 1965. See in particular: Thompson, Allen B.: Physiological Design Criteria for Artificial Gravity Environments in Manned Space Systems.Proceedings of the Fifth Symposium on the Role of Vestibular Organs in Space Exploration, Pensacola, Florida, August 19–21, 1970, NASA SP-314, 1973 نشان می‌دهد که در چنین سرعت‌های چرخش پایینی، افراد کمی دچار حرکت‌زدگی ناشی از نیروهای کوریولیس وارد بر گوش داخلی می‌شوند. با این حال، افراد می‌توانند با چرخاندن سر خود جهت‌های موافق و مخالف چرخش را تشخیص دهند و هر شیء رها شده‌ای چند سانتی‌متر منحرف به نظر می‌رسد. محور مرکزی سکونتگاه منطقه‌ای با گرانش صفر خواهد بود و پیش‌بینی شده بود که امکانات تفریحی در آنجا مستقر شوند.

لازم به ذکر است که یک استوانه منفرد و ایزوله، همان‌طور که در سریال بابل ۵ به تصویر کشیده شده است، از نظر دینامیکی ناپایدار خواهد بود.

 جو و تابش 
برنامه‌ریزی شده بود که سکونتگاه دارای اکسیژن با فشار جزئی تقریباً مشابه هوای زمین، یعنی ۲۰٪ فشار هوای سطح دریا در زمین باشد. نیتروژن نیز برای افزودن ۳۰٪ دیگر از فشار زمین گنجانده می‌شود. این جو با فشار نصف باعث صرفه‌جویی در گاز و کاهش استحکام و ضخامت مورد نیاز دیواره‌های سکونتگاه می‌شود.Space Settlements: A Design Study (1977) . NASA SP-413. NSS.org. Retrieved September 12, 2012.
بندانگشتی|راست|تصویر هنری از فضای داخلی استوانه اونیل، روشن شده توسط نور منعکس شده خورشید
در این مقیاس، هوای داخل استوانه و بدنه آن محافظت کافی در برابر پرتوهای کیهانی فراهم می‌کنند. حجم داخلی یک استوانه اونیل به اندازه‌ای بزرگ است که سیستم‌های آب‌وهوایی کوچک خود را پشتیبانی کند، که ممکن است با تغییر ترکیب اتمسفر داخلی یا مقدار نور منعکس شده خورشید دستکاری شوند.

 نور خورشید 
آینه‌های بزرگی در پشت هر نوار پنجره لولا شده‌اند. لبه آزاد پنجره‌ها به سمت خورشید است. هدف این آینه‌ها بازتاباندن نور خورشید از طریق پنجره‌ها به داخل استوانه‌ها است. شب با باز کردن آینه‌ها شبیه‌سازی می‌شود که باعث می‌شود نمای پنجره رو به فضای خالی قرار گیرد؛ این کار همچنین اجازه می‌دهد گرما به فضا تابیده شود. در طول روز، خورشیدِ منعکس‌شده با حرکت آینه‌ها حرکت می‌کند و توالی طبیعی زوایای خورشید را ایجاد می‌کند. اگرچه با چشم غیرمسلح قابل مشاهده نیست، اما تصویر خورشید ممکن است به دلیل چرخش استوانه در حال چرخش به نظر برسد. نوری که توسط آینه‌ها منعکس می‌شود قطبیده است که ممکن است باعث گیج شدن زنبورهای گرده‌افشان شود.

برای اجازه ورود نور به سکونتگاه، پنجره‌های بزرگی در طول استوانه امتداد یافته‌اند. این‌ها تک‌لایه نخواهند بود، بلکه از بخش‌های کوچک زیادی ساخته می‌شوند تا از آسیب فاجعه‌بار جلوگیری شود و فریم‌های آلومینیومی یا فولادی پنجره بتوانند بیشتر تنش‌های ناشی از فشار هوای سکونتگاه را تحمل کنند. گاهی اوقات ممکن است یک شهاب‌واره یکی از این پانل‌ها را بشکند. این امر باعث از دست رفتن مقداری از جو می‌شود، اما محاسبات نشان داد که به دلیل حجم بسیار زیاد سکونتگاه، این یک وضعیت اضطراری نخواهد بود.

 کنترل وضعیت 
سکونتگاه و آینه‌های آن باید دائماً به سمت خورشید نشانه روند تا انرژی خورشیدی را جمع‌آوری کرده و فضای داخلی سکونتگاه را روشن کنند. اونیل و دانشجویانش با دقت روشی را برای چرخاندن مداوم کلونی به میزان ۳۶۰ درجه در هر مدار بدون استفاده از موشک (که باعث از دست دادن جرم واکنش می‌شود) ابداع کردند. ابتدا، جفت سکونتگاه را می‌توان با استفاده از استوانه‌ها به عنوان چرخ تکانه چرخاند. اگر چرخش یکی از سکونتگاه‌ها کمی متفاوت باشد، دو استوانه به دور یکدیگر خواهند چرخید. هنگامی که صفحه تشکیل شده توسط دو محور چرخش در محور رول نسبت به مدار عمود شد، می‌توان جفت استوانه را برای نشانه‌روی به سمت خورشید با اعمال نیرو بین دو یاتاقانِ سمت خورشید، دچار یاو کرد. دور کردن استوانه‌ها از یکدیگر باعث می‌شود که هر دو استوانه به صورت ژیروسکوپی دچار حرکت تقدیمی شوند و سیستم در یک جهت منحرف شود، در حالی که نزدیک کردن آن‌ها به هم باعث انحراف در جهت دیگر می‌شود. سکونتگاه‌هایی که در جهت مخالف هم می‌چرخند هیچ اثر ژیروسکوپی خالصی ندارند و بنابراین این حرکت تقدیمی جزئی می‌تواند در تمام طول مدار سکونتگاه ادامه یابد و آن را به سمت خورشید نگه دارد. این یک کاربرد نوآورانه از ژیروسکوپ کنترل ممان است.

 به‌روزرسانی طراحی و مشتقات 
در سال‌های ۱۹۹۰ و ۲۰۰۷، یک مشتق طراحی کوچک‌تر به نام «کالپانا یک» معرفی شد که با افزایش قطر و کوتاه کردن طول، بر اثر نوسان یک استوانه در حال چرخش غلبه می‌کند. چالش‌های لجستیکی محافظت در برابر تابش با ساخت ایستگاه در مدار نزدیک زمین و حذف پنجره‌ها برطرف شده است.

در سال ۲۰۱۴، روش ساخت جدیدی پیشنهاد شد که شامل باد کردن یک کیسه و نوارپیچ کردن آن با یک قرقره (ساخته شده از مواد سیارکی) مانند ساخت یک مخزن تحت فشار با پوشش کامپوزیتی بود.

 استوانه مک‌کندری 
در سال ۱۹۹۶، مهندس تام مک‌کندری پیشنهاد یک سکونتگاه فضایی در حال چرخش بزرگ‌تر را داد. او این ایده را در سال ۲۰۰۰ در کنفرانس ناسا بسط داد.

به جای مواد سنتی که در زمان پیشنهاد استوانه اونیل شناخته شده بودند، سکونتگاه مک‌کندری با استفاده از مواد الماس‌وار یا نانولوله کربنی ساخته می‌شود که اجازه می‌دهد بسیار بزرگ‌تر ساخته شود. او بیان کرد که چنین سکونتگاهی اگر از مواد الماس‌وار ساخته شود، می‌تواند تا شعاع ۴۶۱ کیلومتر و طول بیش از ۴۶۱۰ کیلومتر، و اگر از نانولوله‌های کربنی ساخته شود، تا شعاع ۱۱۲۰ کیلومتر و طول بیش از ۱۱۲۰۰ کیلومتر گسترش یابد.

مانند استوانه اونیل، مک‌کندری پیشنهاد داد که نیمی از سطح کلونی به پنجره‌ها اختصاص یابد تا روشنایی مستقیم فضای داخلی فراهم شود. سکونتگاه از یک جفت استوانه که در جهت مخالف هم می‌چرخند تشکیل می‌شود که مانند چرخ‌های واکنش برای کنترل جهت‌گیری سکونتگاه عمل می‌کنند. بر اساس مواد و اندازه، او تخمین زد که چنین سکونتگاهی می‌تواند جمعیتی بین ۴۰ تا ۲۵۰ میلیارد نفر را در خود جای دهد.

این مفهوم از آن زمان استوانه مک‌کندری نامیده می‌شود.

 پیشنهاد 
جف بزوس در رویداد بلو اوریجین در واشینگتن در ۹ مه ۲۰۱۹، پیشنهاد ساخت کلونی‌های اونیل را به جای استعمار سیارات دیگر مطرح کرد.

 در فرهنگ عامه 
استوانه‌های مک‌کندری، نسخه جدیدتر و بزرگتر پیشنهادی از استوانه‌های اونیل، نوعی سکونتگاه در دنیای تخیلی پروژه بازوی اوریون هستند. در این دنیا، ابعاد آن‌ها ۱۰۰۰ کیلومتر در شعاع و ۱۰۰۰۰ کیلومتر در طول است و حاوی ۶۳ میلیون کیلومتر مربع فضای زندگی است که بزرگتر از قاره اوراسیاست.

 نگارخانه تصاویر 

 منابع 

رده:ابرسازه‌ها
رده:زیستگاه‌های فضایی
رده:معرفی‌شده‌های ۱۹۷۶ (میلادی)
رده:کشاورزی فضایی