Wyobraź sobie, że jesteś w pojeździe - lub innej maszynie - wirując tak szybko, że siła naciska Twoje ciało na ścianę lub siedzenie. Gdy kręcisz się coraz szybciej, ciśnienie zmuszające cię do uderzenia o ścianę rośnie (i odwrotnie, maleje, gdy obrót zwalnia). Ciężar odczuwa się tak, jak siła grawitacji, która utrzymuje twoje ciało uziemione na ziemi.
Jeśli jesteś jak większość ludzi, twoje najbardziej dramatyczne doświadczenie z tego typu wirującą siłą pochodzi prawdopodobnie z przejażdżki w wesołym miasteczku - a konkretnie z klasycznej przejażdżki Rotor Ride , która od połowy XIX wieku przyniosła wiele radości (i tak wymiotów ) stulecie.
Ale garstka ludzi, w tym astronauci i piloci wojskowi, doświadcza tego samego zjawiska w wirówce ocenianej przez człowieka, maszynie, która obraca się, aby wytworzyć te duże „siły G”, zwane także przyspieszeniem. Doświadczają tej siły G na pokładzie wysokowydajnych samolotów podczas zakrętów z dużą prędkością, podczas startów w kosmos oraz gdy statki kosmiczne gwałtownie zwalniają, gdy ponownie wchodzą w ziemską atmosferę.
Co to jest sztuczna grawitacja?
W bardzo realnym sensie ten rodzaj rotacji wytwarza grawitację - a dokładniej sztuczną grawitację. Zapewnia ciężar twojemu ciału - ciężar, którego kości i mięśnie nie są w stanie odróżnić od ciężaru, który zapewnia Ziemia lub inna planeta ze względu na swoją masę.
W rezultacie od dziesięcioleci pisarze science fiction wyobrażają sobie obracające się statki kosmiczne, które tworzą sztuczną grawitację dla astronautów podczas najdłuższych faz misji kosmicznych. Fazy te mają miejsce, gdy nie są bardzo ciężkie, ponieważ statek przyspiesza w celu zwiększenia prędkości lub zwalnia w atmosferze, ale są nieważkie z powodu żeglowania statku, co neguje wpływ grawitacji.
Dwa przykłady takiej sztucznej grawitacji w science fiction to film „Marsjanin” z 2015 roku i epos „2001: Odyseja kosmiczna” z 1968 roku. „Marsjanin” zawiera międzyplanetarny statek Hermes z dużą sekcją w kształcie koła, która obraca się podczas podróży między Ziemią a Marsem. Gdy kamera przybliża się, zauważasz, że „góra” dla astronautów wewnątrz Hermesa jest zawsze skierowana w stronę środka koła, podczas gdy „w dół”, „podłoga” to krawędź. Stacja Kosmiczna V w „ 2001: A Space Odyssey ” to wirująca stacja generująca sztuczną grawitację równą grawitacji Księżyca.
Oprócz zwykłego komfortu istnieją dobre powody, dla których potrzebujemy sztucznej grawitacji podczas dalekosiężnych misji kosmicznych. Po pierwsze, w stanie nieważkości nasze ciała zmieniają się w sposób, który może być szkodliwy, gdy astronauci docierają do celu - na przykład na Marsa - lub wracają na Ziemię. Kości tracą zawartość minerałów (miękną, stają się podatne na złamania); zanik mięśni (kurczą się i osłabiają); płyny przemieszczają się w kierunku głowy, a także są wydalane z organizmu, powodując zmiany w układzie sercowo-naczyniowym i płucach; układu nerwowego zostaje wyrzucony trzaśnięcia; aw ostatnich latach naukowcy zajmujący się medycyną kosmiczną odkryli, co może być trwałym uszkodzeniem oczuu niektórych astronautów. Dodaj do tego badania sugerujące, że grawitacja może być wymagana, aby ludzie mieli normalną ciążę w kosmosie i wydaje się prawie oczywiste, że jakikolwiek statek kosmiczny przewożący ludzi wokół Układu Słonecznego powinien się obracać lub mieć jakąś część statku, która to robi. .
Badanie sztucznej grawitacji
Czy NASA i inni badają tę możliwość?
Odpowiedź brzmi tak. Od lat sześćdziesiątych XX wieku naukowcy z NASA rozważają perspektywę sztucznej grawitacji poprzez rotację. Jednak wysiłek, fundusze i ogólny entuzjazm rosły i słabły przez dziesięciolecia. W latach 60. XX wieku nastąpił gwałtowny wzrost badań, kiedy NASA pracowała nad wysłaniem człowieka na Księżyc (budżet NASA w tamtym czasie stanowił prawie 5 procent budżetu całego rządu federalnego - 10 razy więcej niż obecnie).
Podczas gdy NASA nie kładła nacisku na badania nad sztuczną grawitacją w ciągu ostatniego półwiecza, naukowcy zarówno z agencji kosmicznej, jak i spoza niej badają szereg sytuacji. Myszy wirujące w małej wirówce na pokładzie Międzynarodowej Stacji Kosmicznej przetrwały bez problemu, a ludzie przybywający na Ziemię uczą się, jak przystosowywać się do wirujących pokoi. Jeden znajduje się w Laboratorium Orientacji Przestrzennej Ashtona Graybiela na Uniwersytecie Brandeis, a Instytut Medycyny Kosmicznej DLR w Kolonii w Niemczech jest siedzibą wirówki krótkoramiennej DLR, moduł 1 . Jest to jedyna tego typu placówka na świecie, która prowadzi badania nad skutkami zmienionej grawitacji, zwłaszcza w odniesieniu do zagrożeń zdrowotnych występujących w warunkach mikrograwitacji.
Dlaczego nie mamy obrotowych statków kosmicznych?
Ale jeśli potrzeba sztucznej grawitacji jest tak wyraźna, po co zawracać sobie głowę badaniami w kosmosie lub na Ziemi? Dlaczego inżynierowie nie zabiorą się po prostu do pracy przy projektowaniu wirujących statków, takich jak Hermes?
Odpowiedź jest taka, że sztuczna grawitacja wymaga kompromisu, ponieważ wszystko to powoduje problemy. Podobnie jak w przypadku Rotor Ride, poruszanie głową podczas szybkiego obracania powoduje nudności. Wirowanie wpływa również na płyn w uchu wewnętrznym i na inne części ciała, które poruszasz, gdy jesteś w wirującym środowisku.
A nudności, dezorientacja i problemy z poruszaniem się pogarszają się, im szybciej się obracasz (liczba obrotów na minutę [obr / min]). Ale ilość sztucznej grawitacji, jaką można wytworzyć, zależy zarówno od prędkości obrotowych, jak i od wielkości tego, co się obraca.
Aby doświadczyć określonej ilości grawitacji - na przykład połowy zwykłej wartości, którą odczuwasz na Ziemi - długość promienia obrotu (odległość od Ciebie stojącego na podłodze do środka tego, co się kręci) określa, jak szybko się trzeba się kręcić. Zbuduj pojazd w kształcie koła o promieniu 738 stóp (225 metrów), a uzyskasz pełną ziemską grawitację (znaną jako 1G) obracającą się z prędkością zaledwie 1 obr./min . Jest to na tyle wolne, że naukowcy są pewni, że nikt nie dostanie mdłości ani dezorientacji.
Pomijając nieco zakrzywioną podłogę, rzeczy na pokładzie takiego statku wydawałyby się całkiem normalne. Jednak budowanie i latanie tak ogromnej konstrukcji w kosmosie wiązałoby się z wieloma wyzwaniami inżynieryjnymi.
Oznacza to, że NASA i wszelkie inne agencje lub organizacje kosmiczne, które mogą w przyszłości wysyłać ludzi po Układzie Słonecznym, muszą zadowolić się mniejszą grawitacją, szybszym obrotem (więcej obrotów na minutę) - lub jednym i drugim. Ponieważ na Księżycu nie ma laboratorium, w którym grawitacja powierzchniowa wynosi około 16 procent powierzchni Ziemi, co czyni go doskonałym miejscem do badania skutków niskiej grawitacji w przeciwieństwie do nieważkości, po prostu nie ma wystarczających danych, aby wiedzieć, jak to zrobić. dużo grawitacji ludzie mogą potrzebować do długoterminowych misji kosmicznych lub kolonii kosmicznych . Takie dane są potrzebne, podobnie jak dane dotyczące tego, ile rotacji ludzie mogą rozsądnie tolerować, i to jest uzasadnienie dla trwających badań nad sztuczną grawitacją.
Teraz to jest fajne
University of Colorado w Boulder bada sposoby projektowania systemów obrotowych, które mogłyby zmieścić się w pomieszczeniu przyszłej stacji kosmicznej lub bazy księżycowej. Astronauci mogliby wczołgać się do tych pomieszczeń tylko na kilka godzin dziennie, aby uzyskać dzienną dawkę grawitacji.
