Immagina di essere all'interno di un veicolo - o di un'altra macchina - che gira così velocemente che la forza preme il tuo corpo contro il muro o il sedile. Man mano che giri sempre più velocemente, la pressione che ti costringe contro il muro aumenta (e viceversa diminuisce man mano che la rotazione rallenta). Il peso sembra proprio come la forza di gravità che mantiene il tuo corpo a terra.
Se sei come la maggior parte delle persone, la tua esperienza più drammatica con questo tipo di forza rotante proviene probabilmente da un giro in un parco di divertimenti, in particolare un classico Rotor Ride che ha prodotto molta gioia (e sì vomito ) dalla metà del 19 secolo.
Ma una manciata di persone, inclusi astronauti e piloti militari, sperimentano lo stesso fenomeno in una centrifuga di livello umano, una macchina che gira per produrre queste "forze G" elevate, chiamate anche accelerazione. Sperimentano questa forza G a bordo di velivoli ad alte prestazioni durante le virate ad alta velocità e durante i lanci nello spazio e quando i veicoli spaziali rallentano rapidamente mentre rientrano nell'atmosfera terrestre.
Cos'è la gravità artificiale?
In un senso molto reale, questo tipo di rotazione produce gravità - gravità artificiale per essere precisi. Fornisce peso al tuo corpo - un peso che le tue ossa e muscoli non possono distinguere dal peso che la Terra, o un altro pianeta, fornisce a causa della sua massa.
Di conseguenza, per decenni, gli scrittori di fantascienza hanno immaginato astronavi rotanti che creano gravità artificiale per gli astronauti durante le fasi più lunghe delle missioni spaziali. Queste fasi sono quando non sono extra pesanti a causa dell'accelerazione della nave per aumentare la velocità o decelerazione nell'atmosfera, ma senza peso a causa del velivolo che procede per inerzia, annullando gli effetti della gravità.
Due esempi di tale gravità artificiale nella fantascienza sono il film del 2015 "The Martian" e il film epico del 1968 "2001: Odissea nello spazio". "The Martian" presenta un velivolo interplanetario, l'Hermes, con una grande sezione a forma di ruota che ruota nel suo viaggio tra la Terra e Marte. Mentre la telecamera ingrandisce, noti che "su" per gli astronauti all'interno dell'Hermes è sempre verso il centro della ruota, mentre "giù", il "pavimento", è il bordo. La Stazione Spaziale V in " 2001: Odissea nello spazio " è una stazione rotante che genera gravità artificiale uguale a quella della luna.
Oltre al semplice comfort, ci sono buone ragioni per cui abbiamo bisogno della gravità artificiale nelle missioni spaziali a lunga distanza. Per prima cosa, in assenza di gravità il nostro corpo cambia in modi che potrebbero essere dannosi quando gli astronauti arrivano a destinazione, come Marte, o tornano sulla Terra. Le ossa perdono contenuto minerale (si ammorbidiscono, diventando vulnerabili alla frattura); atrofia muscolare (si restringono e si indeboliscono); i fluidi si spostano verso la testa e vengono anche escreti dal corpo, provocando cambiamenti nel sistema cardiovascolare e nei polmoni; il sistema nervoso è sbalordito; e negli ultimi anni i ricercatori di medicina spaziale hanno scoperto quello che potrebbe essere un danno permanente agli occhiin alcuni astronauti. Aggiungi a questa ricerca che suggerisce che la gravità potrebbe essere necessaria per gli esseri umani per avere una gravidanza normale nello spazio e sembra quasi un gioco da ragazzi che qualsiasi veicolo spaziale che trasporta esseri umani intorno al sistema solare debba ruotare o avere una parte della nave che lo fa. .
Ricerca sulla gravità artificiale
La NASA e altri stanno studiando questa possibilità?
La risposta è si. Dagli anni '60, gli scienziati della NASA hanno preso in considerazione la prospettiva della gravità artificiale attraverso la rotazione. Tuttavia, lo sforzo, i finanziamenti e l'entusiasmo generale sono aumentati e diminuiti nel corso dei decenni. C'è stata un'impennata nella ricerca negli anni '60, quando la NASA stava lavorando per inviare l'uomo sulla Luna (il budget per la NASA a quel tempo era quasi il 5% di quello dell'intero governo federale, 10 volte quello che è oggi).
Sebbene la NASA non abbia enfatizzato la ricerca sulla gravità artificiale nell'ultimo mezzo secolo, gli scienziati sia all'interno che all'esterno dell'agenzia spaziale stanno studiando una serie di situazioni. I topi che girano in una piccola centrifuga a bordo della Stazione Spaziale Internazionale sono sopravvissuti senza problemi e gli umani legati alla Terra stanno imparando ad adattarsi nelle stanze di filatura. Ce n'è uno presso l'Ashton Graybiel Spatial Orientation Laboratory presso la Brandeis University e il DLR Institute of Aerospace Medicine di Colonia, in Germania, ospita la DLR Short-Arm Centrifuge, Module 1 . È l'unico del suo genere al mondo a ricercare gli effetti della gravità alterata, soprattutto per quanto riguarda i rischi per la salute che si verificano in condizioni di microgravità.
Perché non abbiamo astronavi rotanti?
Ma se la necessità della gravità artificiale è così chiara, perché preoccuparsi della ricerca nello spazio o sulla Terra? Perché gli ingegneri non si mettono semplicemente al lavoro progettando navi rotanti, come la Hermes?
La risposta è che la gravità artificiale richiede un compromesso, perché tutto ciò che gira crea problemi. Come nel Rotor Ride, muovere la testa mentre giri così velocemente provoca nausea. La rotazione influisce anche sul fluido nell'orecchio interno e su qualsiasi altra parte del corpo che muovi mentre ti trovi in un ambiente rotante.
E che nausea, disorientamento e problemi di movimento peggiorano con la velocità di rotazione (il numero di giri al minuto [RPM]). Ma la quantità di gravità artificiale che può essere prodotta dipende sia dagli RPM che dalle dimensioni di tutto ciò che sta ruotando.
Per sperimentare una determinata quantità di gravità, ad esempio la metà della quantità abituale che si sente sulla Terra, la lunghezza del raggio di rotazione (la distanza da te in piedi sul pavimento al centro di ciò che sta ruotando) determina la velocità con cui bisogno di girare. Costruisci un velivolo a forma di ruota con un raggio di 738 piedi (225 metri) e produrrai la gravità terrestre completa (nota come 1G) ruotando a solo 1 RPM . È abbastanza lento che gli scienziati sono molto sicuri che nessuno si sentirebbe nauseato o disorientato.
A parte il fatto che il pavimento è un po 'curvo, le cose a bordo di una simile imbarcazione sembrerebbero abbastanza normali. Ma costruire e far volare una struttura così enorme nello spazio comporterebbe numerose sfide ingegneristiche.
Ciò significa che la NASA e tutte le altre agenzie o organizzazioni spaziali che potrebbero inviare persone in giro per il sistema solare in futuro devono accontentarsi di una minore gravità, una rotazione più veloce (più RPM) o entrambe le cose. Poiché non esiste un laboratorio sulla luna in cui la gravità superficiale sia circa il 16 percento di quella della superficie terrestre, il che lo rende un ottimo posto per ricercare gli effetti della bassa gravità, al contrario dell'assenza di gravità, semplicemente non ci sono dati sufficienti per sapere come molta gravità potrebbe essere necessaria agli esseri umani per missioni spaziali a lungo termine o colonie spaziali . Tali dati sono necessari, così come i dati su quanta rotazione gli esseri umani possono ragionevolmente tollerare, e questa è la logica alla base della ricerca sulla gravità artificiale in corso.
Adesso va bene
L'Università del Colorado, Boulder, sta studiando modi per progettare sistemi rotanti che potrebbero adattarsi a una stanza di una futura stazione spaziale o base lunare. Gli astronauti potrebbero strisciare in queste stanze solo per poche ore al giorno per ottenere la loro dose giornaliera di gravità.
