thumb|right|Un par de los cilindros de O'Neill. thumb|right| Collage de figuras y tablas del hábitat espacial Toro de Stanford, procedentes del libro «Space Settlements: A Design Study». Charles Holbrow y Richard D. Johnson, NASA, 1977. thumb|right|Interior de una estación toroidal. Un hábitat espacial (también llamado una colonia orbital, colonia espacial, ciudad o asentamiento) es una estación espacial construida como un asentamiento permanente en vez de solo una estación de tránsito u otra instalación especializada. Ningún hábitat espacial ha sido construido aún, pero muchos diseños han sido propuestos con variado grado de realismo tanto por ingenieros como por autores de ciencia ficción.
Historia thumb|Descripción de una estación espacial de rueda giratoria en The Problem of Space Travel (en castellano: El Problema del Viaje Espacial) de Hermann Noordung de 1929. Aproximadamente en 1970, cerca del final del Proyecto Apollo, Gerard K. O'Neill, un físico experimental, estaba buscando un tema que tentara a sus estudiantes físicos, la mayor parte de los cuales eran alumnos de primer año de ingeniería. Se le ocurrió la creativa idea de asignarles la realización de los cálculos de factibilidad para grandes hábitats espaciales. Para su sorpresa, los hábitats parecían ser factibles incluso para los de muy grande tamaño: cilindros de 8 km (5 millas) de diámetro y 34 km (20 millas) de largo, incluso si eran construidos con materiales ordinarios como acero y vidrio. También, los estudiantes resolvieron problemas tales como protección contra la radiación de los rayos cósmicos, la obtención de ángulos hacia el Sol realistas, provisión de energía, agricultura libre de plagas realista y control de actitud orbital sin motores de reacción. O'Neill publicó un artículo sobre estas propuestas de colonias en Physics Today en 1974. En la ilustración anterior se puede ver una de tales colonias, una clásica Colonia O'Neill. El artículo fue expandido en su libro de 1976 titulado en español Ciudades del Espacio.
El resultado motivó a la NASA a auspiciar un par de talleres de verano liderados por el Dr. O'Neill. Varios diseños fueron estudiados, algunos en profundidad, con capacidades variando entre 1.000 a 100.000 personas.Pournelle, Jerrold E., Dr. A Step Farther Out; O'Neill, Gerard K., Dr. The High Frontier: Human Colonies in Space (New York: William Morrow & Company, 1977); Heppenheimer, Fred, Dr. Habitats in Space.
En un tiempo, la colonización era definitivamente vista como un fin en sí misma. La propuesta básica de O'Neill tenía un ejemplo de un esquema de pago: la construcción de satélites para energía solar a partir de materiales extraídos desde la Luna. La intención de O'Neill no era construir satélites para energía solar como tales, sino más bien entregar una prueba de que la fabricación orbital a partir de materiales lunares podría generar beneficios. Él, y otros participantes, presumían que una vez que tales instalaciones de fabricación estuvieran funcionando, muchos otros usos rentables podrían ser encontrados para estas, y la colonia sería autosustentable y también podría comenzar a construir otras colonias.
Las propuestas y estudios generaron un notable interés público. Un efecto de esta expansión fue la fundación de la Sociedad L5 en Estados Unidos, un grupo de entusiastas que desea construir y vivir en tales colonias. El grupo fue nombrado por la órbita que se creía era las más rentable para una colonia espacial, una órbita en forma de riñón alrededor ya sea de los puntos de Lagrange 5 o 4 de la Tierra.
thumb|Vista interior de Rama, un hábitat cilíndrico móvil en la serie Cita con Rama de Arthur C. Clarke.
En esta era, el Dr. O'Neill fundó el Space Studies Institute, que inicialmente financió y construyó prototipos de los equipos radicalmente nuevos que serán necesarios para llevar a cabo un esfuerzo de colonización espacial, así como una cantidad de artículos sobre estudios de factibilidad. Uno de los primeros proyectos, por ejemplo, fue una serie de prototipos funcionales de una catapulta electromagnética, la tecnología esencial en ser usada para mover económicamente mena desde la Luna a las órbitas de la colonias espaciales.
Los hábitats espaciales han inspirado una gran cantidad de sociedades ficticias en la ciencia ficción. Algunas de las más populares y reconocibles es el universo Gundam japonés y la estación espacial de Babylon 5.
Motivación Las motivaciones para la construcción de colonias espaciales son variadas entre otras: supervivencia, seguridad, energía, extracción de materias primas y monetarias.
Los hábitats espaciales son inmunes a la mayor parte de los desastres naturales que sufre la Tierra, tales como, terremotos, actividad volcánica, huracanes, inundaciones y tornados. Un hábitat espacial puede ser el compartimiento de pasajeros de una gran nave espacial con destino a colonizar asteroides, lunas, estrellas distantes u otros planetas (véase también: Espacio y supervivencia). Dispersar nuestra población en múltiples hábitats espaciales autosuficientes a través del sistema solar incrementará nuestras posibilidades de supervivencia como especie en caso de que ocurra algún desastre global en la Tierra.James Doehring, Michael Anissimov et al: Lifeboat Foundation Space Habitats. Spacefuture.com, 2002-2011, retrieved June 29, 2011
El espacio está literalmente lleno con luz producida por el Sol. En la órbita de la Tierra, esta alcanza 1400 watts de energía por metro cuadrado. Esta puede ser usada para producir electricidad usando células fotovoltaicas o motores de calor instalados en estaciones generadoras de energía, y proporcionando luz para que las plantas crezcan y para calefaccionar las colonias espaciales, o para calentar planetas más fríos (como Marte).
La mayor parte de los asteroides son una mezcla de los materiales mencionados anteriormente, virtualmente todos los elementos estables de la tabla periódica pueden ser encontrados en los asteroides y cometas y más importante, debido a que estos cuerpos no tienen pozos de gravedad substanciales, es muy fácil sacar los materiales obtenidos de ellos y transportarlos al sitio de construcción.Pournelle, Jerrold E., Dr. A Step Farther Out; O'Neill, Gerard K., Dr. The High Frontier: Human Colonies in Space (New York: William Morrow & Company, 1977); Heppenheimer, Fred, Dr. Habitats in Space.
Se estima que existe suficiente material en el cinturón principal de asteroides para construir hábitats espaciales igual a la superficie habitable de 3.000 planetas Tierra.
Generación de energía Las colonias tendrían un constante acceso a la energía solar hasta muy grandes distancias del Sol. La falta de peso permite la construcción de grandes estructuras endebles tales como espejos para concentrar la luz del sol.
Recursos Los hábitats espaciales pueden ser abastecidas con recursos desde lugares extraterrestres tales como Marte, los asteroides o la Luna (utilización de recursos in-situ (del inglés: In-Situ Resource Utilization, ISRU); véase también minería en los asteroides). Uno podría producir oxígeno para respiración, agua potable, y combustible para cohetes con la ayuda del ISRU. Incluso puede ser posible construir paneles solares a partir de materiales lunares.
Población Los hábitats pueden ser construidos para tener una inmensa capacidad de población. Usando los recursos que flotan libres en el sistema solar, los actuales estimados se extienden en trillones.O'Neill, Gerard K. The colonization of space, (Physics Today, September 1974). Retrieved on 2006-10-15.
Comercio El comercio entre la Tierra y los hábitats espaciales sería más fácil que un comercio entre la Tierra y una colonia planetaria, ya que las colonias orbitando a la Tierra no tienen que superar un pozo de gravedad para exportar hacia esta, y un pozo de gravedad más pequeño que superar para importar desde la Tierra.
Desembolso de capital inicial Incluso el más pequeño de los diseños para hábitats mencionados es más masivo que la masa total de todo lo lanzado por la Humanidad hacia órbita terrestre. Los prerrequisitos para construir hábitats son costos de lanzamiento más baratos o una base de minería y fabricación en la Luna u otro cuerpo que tenga una baja delta-v desde la locación deseada para el hábitat.Pournelle, Jerrold E., Dr. A Step Farther Out; O'Neill, Gerard K., Dr. The High Frontier: Human Colonies in Space (New York: William Morrow & Company, 1977); Heppenheimer, Fred, Dr. Habitats in Space.
Sistemas de soporte vital internos Presión del aire, con presiones parciales de oxígeno normales, dióxido de carbono y nitrógeno, es un requerimiento básico de cualquier hábitat espacial. Básicamente la mayor parte de los diseños de colonias proponen grandes contenedores de presión de paredes delgadas, El oxígeno requerido podría ser obtenido desde las rocas lunares. El nitrógeno es más fácil de obtener desde la Tierra, pero también es casi perfectamente reciclable. También el nitrógeno es la forma de amonio puede ser obtenido de los cometas y lunas de los planetas exteriores. El nitrógeno también puede obtenerse en cantidades desconocidas en ciertos otros cuerpos en el sistema solar exterior. El aire de una colonia podría ser reciclado en varias formas. El método más obvio es usar jardines fotosintéticos, posiblemente vía hidroponía o bosques. Sin embargo, esto no elimina ciertos contaminantes industriales, tales como aceites volátiles y exceso de gases moleculares simples. El método estándar usado en submarinos nucleares, una forma similar de ambiente cerrado, es usar un quemador catalítico, que efectivamente elimina la mayor parte de los contaminantes orgánicos. Protección adicional podría ser provista por un pequeño sistema de destilación criogénica que eliminaría gradualmente las impurezas tales como vapor de mercurio y gases nobles que pueden ser quemados catalíticamente.
Los materiales orgánicos para la producción de comida también necesitan ser provistos. Al principio, la mayor parte tendrían que ser importados desde la Luna, asteroides o la Tierra. Después de eso, el reciclamiento debería reducir la necesidad de las importaciones. Un método de reciclaje propuesto comenzaría quemando el destilado criogénico, las plantas, la basura y las aguas residuales con aire y un arco eléctrico, y destilando a continuación el resultado. El dióxido de carbono y el agua resultante podrían ser utilizables directamente por la agricultura. Los nitratos y las sales en la ceniza podrían ser disueltos en agua y separados en minerales puros. La mayor parte de los nitratos, potasio y sales de sodio serían efectivamente reciclados como fertilizantes. Otros minerales conteniendo hierro, níquel y silicio podrían ser purificados químicamente en lotes y reusados industrialmente. La pequeña fracción de materiales restantes, bien por debajo del 0,01% del peso, podrían ser procesados en elementos puros con espectrometría de masa de gravedad cero y agregados en las cantidades apropiadas a los fertilizantes y suministros industriales. Este método actualmente solo existe como prueba de concepto siendo considerado en los estudios de la NASA. Lo más probable es que este método sería muy perfeccionado cuando la gente comenzará a vivir realmente en hábitats espaciales.
Gravedad artificial