Stellen Sie sich vor, Sie befinden sich in einem Fahrzeug - oder einer anderen Maschine - und drehen sich so schnell, dass die Kraft Ihren Körper gegen die Wand oder den Sitz drückt. Wenn Sie schneller und schneller drehen, steigt der Druck, der Sie gegen die Wand drückt (und umgekehrt, wenn der Spin langsamer wird). Das Gewicht fühlt sich genauso an wie die Schwerkraft , die Ihren Körper auf der Erde geerdet hält.
Wenn Sie wie die meisten Menschen sind, ist Ihre dramatischste Erfahrung mit dieser Art von Spinnkraft wahrscheinlich eine Fahrt durch einen Vergnügungspark - insbesondere eine klassische Rotorfahrt , die seit Mitte des 19. Jahrhunderts viel Freude (und ja Erbrechen ) hervorgebracht hat Jahrhundert.
Aber eine Handvoll Menschen, darunter Astronauten und Militärpiloten, erleben das gleiche Phänomen in einer von Menschen bewerteten Zentrifuge, einer Maschine, die sich dreht, um diese hohen "G-Kräfte" zu erzeugen, die auch als Beschleunigung bezeichnet werden. Sie erleben diese G-Kraft an Bord von Hochleistungsflugzeugen während Hochgeschwindigkeitskurven, beim Start in den Weltraum und wenn Raumschiffe beim Wiedereintritt in die Erdatmosphäre schnell langsamer werden.
Was ist künstliche Schwerkraft?
Im wahrsten Sinne des Wortes erzeugt diese Art der Rotation die Schwerkraft - genauer gesagt die künstliche Schwerkraft. Es gibt Ihrem Körper Gewicht - Gewicht, das Ihre Knochen und Muskeln nicht von dem Gewicht unterscheiden können, das die Erde oder ein anderer Planet aufgrund ihrer bloßen Masse bereitstellt.
Infolgedessen stellen sich Science-Fiction-Autoren seit Jahrzehnten rotierende Raumschiffe vor, die während der längsten Phasen von Weltraummissionen künstliche Schwerkraft für Astronauten erzeugen. Diese Phasen sind, wenn sie nicht besonders schwer sind, weil das Schiff beschleunigt, um Geschwindigkeit aufzubauen, oder in der Atmosphäre langsamer werden, sondern schwerelos, weil das Fahrzeug im Leerlauf fährt und die Auswirkungen der Schwerkraft negiert.
Zwei Beispiele für eine solche künstliche Schwerkraft in der Science-Fiction sind der Film "The Martian" von 2015 und das Epos "2001: A Space Odyssey" von 1968. "The Martian" zeigt ein interplanetares Fahrzeug, die Hermes, mit einem großen, radförmigen Abschnitt, der sich auf seiner Reise zwischen Erde und Mars dreht. Wenn Sie die Kamera vergrößern, bemerken Sie, dass "oben" für Astronauten im Hermes immer in Richtung Radmitte ist, während "unten", der "Boden", die Felge ist. Die Raumstation V in " 2001: A Space Odyssey " ist eine Spinnstation, die eine künstliche Schwerkraft erzeugt, die der Schwerkraft des Mondes entspricht.
Abgesehen von reinem Komfort gibt es gute Gründe, warum wir künstliche Schwerkraft für Weltraummissionen benötigen. Zum einen verändert sich unser Körper in der Schwerelosigkeit auf eine Weise, die schädlich sein kann, wenn Astronauten an ihren Zielen - wie dem Mars - ankommen oder zur Erde zurückkehren. Knochen verlieren ihren Mineralgehalt (sie erweichen und werden bruchempfindlich); Muskelatrophie (sie schrumpfen und schwächen); Flüssigkeiten verlagern sich in Richtung Kopf und werden auch aus dem Körper ausgeschieden, was zu Veränderungen des Herz-Kreislauf-Systems und der Lunge führt. das Nervensystem ist aus dem Gleichgewicht geraten; und in den letzten Jahren haben weltraummedizinische Forscher herausgefunden, was bleibende Augenschäden sein könntenbei einigen Astronauten. Fügen Sie dieser Forschung hinzu, die darauf hindeutet, dass die Schwerkraft für Menschen erforderlich sein könnte, um eine normale Schwangerschaft im Weltraum zu haben, und es scheint fast ein Kinderspiel zu sein, dass jedes Raumschiff, das Menschen durch das Sonnensystem trägt, sich entweder drehen sollte oder einen Teil des Schiffes hat, der dies tut .
Erforschung der künstlichen Schwerkraft
Erforschen die NASA und andere diese Möglichkeit?
Die Antwort ist ja. Seit den 1960er Jahren erwägen Wissenschaftler der NASA die Aussicht auf künstliche Schwerkraft durch Rotation. Der Aufwand, die Finanzierung und die allgemeine Begeisterung haben jedoch im Laufe der Jahrzehnte zugenommen und abgenommen. In den 1960er Jahren gab es einen Anstieg der Forschung, als die NASA daran arbeitete, Menschen zum Mond zu schicken (das Budget für die NASA betrug zu dieser Zeit fast 5 Prozent des Budgets der gesamten Bundesregierung - das Zehnfache dessen, was es heute ist).
Während die NASA im letzten halben Jahrhundert die Forschung zur künstlichen Schwerkraft nicht betont hat, untersuchen Wissenschaftler innerhalb und außerhalb der Weltraumbehörde eine Reihe von Situationen. Mäuse, die sich in einer kleinen Zentrifuge an Bord der Internationalen Raumstation drehen, haben problemlos überlebt, und erdgebundene Menschen lernen, sich in Spinnräumen anzupassen. Es gibt eines im Ashton Graybiel Spatial Orientation Laboratory der Brandeis University und das DLR-Institut für Luft- und Raumfahrtmedizin in Köln beherbergt die DLR-Kurzarmzentrifuge, Modul 1 . Es ist weltweit einzigartig und untersucht die Auswirkungen der veränderten Schwerkraft, insbesondere im Hinblick auf Gesundheitsrisiken, die in der Schwerelosigkeit auftreten.
Warum haben wir keine rotierenden Raumschiffe?
Aber wenn der Bedarf an künstlicher Schwerkraft so klar ist, warum sollte man sich dann mit Forschung im Weltraum oder auf der Erde beschäftigen? Warum machen sich Ingenieure nicht einfach an die Arbeit, um sich drehende Schiffe wie die Hermes zu entwerfen?
Die Antwort ist, dass künstliche Schwerkraft einen Kompromiss erfordert, weil all das Drehen Probleme verursacht. Wie bei der Rotorfahrt verursacht das Bewegen des Kopfes, während Sie sich so schnell drehen, Übelkeit. Das Drehen wirkt sich auch auf die Flüssigkeit in Ihrem Innenohr und auf alle anderen Körperteile aus, die Sie in einer rotierenden Umgebung bewegen.
Und diese Übelkeit, Orientierungslosigkeit und Bewegungsprobleme verschlimmern sich, je schneller Sie sich drehen (die Anzahl der Umdrehungen pro Minute [U / min]). Die Menge an künstlicher Schwerkraft, die erzeugt werden kann, hängt jedoch sowohl von der Drehzahl als auch von der Größe des rotierenden Materials ab.
Um eine bestimmte Menge an Schwerkraft zu erfahren - zum Beispiel die Hälfte der üblichen Menge, die Sie auf der Erde fühlen -, bestimmt die Länge des Rotationsradius (die Entfernung von Ihnen auf dem Boden stehend zum Zentrum dessen, was sich dreht), wie schnell Sie sind müssen sich drehen. Wenn Sie ein radförmiges Fahrzeug mit einem Radius von 225 Metern bauen, erhalten Sie die volle Erdgravitation (bekannt als 1G), die sich mit nur 1 U / min dreht . Das ist langsam genug, dass Wissenschaftler sehr sicher sind, dass niemandem übel oder desorientiert wird.
Abgesehen davon, dass der Boden etwas gekrümmt ist, würden sich die Dinge an Bord eines solchen Fahrzeugs ziemlich normal anfühlen. Das Bauen und Fliegen einer solch enormen Struktur im Weltraum würde jedoch zahlreiche technische Herausforderungen mit sich bringen.
Dies bedeutet, dass sich die NASA und andere Weltraumagenturen oder -organisationen, die in Zukunft wahrscheinlich Menschen durch das Sonnensystem schicken, mit einer geringeren Schwerkraft, einer schnelleren Rotation (mehr Drehzahlen) oder beidem zufrieden geben müssen. Da es auf dem Mond kein Labor gibt, in dem die Oberflächengravitation etwa 16 Prozent der Erdoberfläche beträgt, was es zu einem großartigen Ort macht, um die Auswirkungen der niedrigen Schwerkraft im Gegensatz zur Schwerelosigkeit zu untersuchen, gibt es einfach nicht genügend Daten, um zu wissen, wie Menschen benötigen möglicherweise viel Schwerkraft für langfristige Weltraummissionen oder Weltraumkolonien . Solche Daten werden benötigt, ebenso wie Daten darüber, wie viel Rotation Menschen vernünftigerweise tolerieren können, und das ist der Grund für die laufende Forschung zur künstlichen Schwerkraft.
Das ist cool
Die Universität von Colorado, Boulder, untersucht Möglichkeiten, um sich drehende Systeme zu entwerfen, die in einen Raum einer zukünftigen Raumstation oder Mondbasis passen könnten . Astronauten konnten nur wenige Stunden am Tag in diese Räume kriechen, um ihre tägliche Schwerkraftdosis zu erhalten.
