Hãy tưởng tượng rằng bạn đang ở trong một chiếc xe - hoặc một cỗ máy khác - quay xung quanh nhanh đến mức lực ép cơ thể bạn vào tường hoặc ghế. Khi bạn quay ngày càng nhanh, áp lực ép bạn vào tường sẽ tăng lên (và ngược lại nó giảm khi tốc độ quay chậm lại). Trọng lượng có cảm giác giống như lực hấp dẫn giữ cơ thể bạn tiếp đất.
Nếu bạn giống như hầu hết mọi người, trải nghiệm ấn tượng nhất của bạn với loại lực quay này có lẽ là từ một chuyến đi trong công viên giải trí - cụ thể là Trò chơi Rotor cổ điển đã tạo ra rất nhiều niềm vui (và có thể nôn mửa ) kể từ giữa thế kỷ 19 thế kỷ.
Nhưng một số ít người, bao gồm cả phi hành gia và phi công quân sự, trải qua hiện tượng tương tự trong một máy ly tâm do con người xếp hạng, một cỗ máy quay để tạo ra "lực G" cao này, còn được gọi là gia tốc. Họ trải nghiệm lực G này trên máy bay hiệu suất cao khi quay tốc độ cao, trong khi phóng vào không gian và khi tàu vũ trụ chậm lại nhanh chóng khi chúng quay trở lại bầu khí quyển của Trái đất.
Trọng lực nhân tạo là gì?
Theo một nghĩa rất thực, kiểu quay này tạo ra trọng lực - chính xác là trọng lực nhân tạo. Nó cung cấp trọng lượng cho cơ thể của bạn - trọng lượng mà xương và cơ bắp của bạn không thể phân biệt được với trọng lượng mà Trái đất, hoặc một hành tinh khác, cung cấp dựa trên khối lượng tuyệt đối của nó.
Do đó, trong nhiều thập kỷ, các nhà văn khoa học viễn tưởng đã hình dung ra những con tàu vũ trụ xoay tròn tạo ra lực hấp dẫn nhân tạo cho các phi hành gia trong giai đoạn dài nhất của các sứ mệnh không gian. Các giai đoạn này là khi chúng không quá nặng do con tàu tăng tốc để tăng tốc độ hoặc giảm tốc trong khí quyển, nhưng không trọng lượng do quá trình chế tạo thủ công, phủ nhận tác động của trọng lực.
Hai ví dụ về lực hấp dẫn nhân tạo như vậy trong khoa học viễn tưởng là bộ phim năm 2015 "The Martian" và sử thi năm 1968 "2001: A Space Odyssey". "The Martian" có một chiếc tàu liên hành tinh, chiếc Hermes, với một phần lớn hình bánh xe quay trên hành trình của nó giữa Trái đất và sao Hỏa. Khi máy ảnh phóng to, bạn nhận thấy rằng "lên" đối với các phi hành gia bên trong chiếc Hermes luôn hướng về tâm của bánh xe, trong khi "xuống", "sàn" là vành. Trạm vũ trụ V trong " 2001: A Space Odyssey " là một trạm quay tạo ra lực hấp dẫn nhân tạo bằng lực hấp dẫn của mặt trăng.
Ngoài sự thoải mái đơn thuần, có nhiều lý do chính đáng khiến chúng ta cần lực hấp dẫn nhân tạo trong các nhiệm vụ không gian đường dài. Thứ nhất, trong tình trạng không trọng lượng, cơ thể chúng ta thay đổi theo những cách có thể gây hại khi các phi hành gia đến điểm đến của họ - chẳng hạn như sao Hỏa - hoặc quay trở lại Trái đất. Xương mất đi hàm lượng khoáng chất (chúng mềm đi, dễ bị gãy); teo cơ (chúng co lại và yếu đi); chất lỏng di chuyển về phía đầu và cũng được bài tiết ra khỏi cơ thể, gây ra những thay đổi trong hệ thống tim mạch và phổi; các hệ thần kinh được ném ra khỏi Whack; và trong những năm gần đây, các nhà nghiên cứu y học không gian đã tìm ra những gì có thể gây tổn thương mắt vĩnh viễnở một số phi hành gia. Thêm vào đó nghiên cứu cho thấy rằng trọng lực có thể cần thiết để con người có thể mang thai bình thường trong không gian và có vẻ như không có trí tuệ rằng bất kỳ tàu vũ trụ nào chở con người xung quanh hệ mặt trời hoặc sẽ quay, hoặc có một số bộ phận của con tàu. .
Nghiên cứu trọng lực nhân tạo
NASA và những người khác có đang nghiên cứu khả năng này không?
Câu trả lời là có. Kể từ những năm 1960, các nhà khoa học NASA đã xem xét viễn cảnh về lực hấp dẫn nhân tạo theo cách quay. Tuy nhiên, nỗ lực, kinh phí và sự nhiệt tình nói chung đã tàn lụi và tàn lụi qua nhiều thập kỷ. Có một sự gia tăng trong nghiên cứu vào những năm 1960 khi NASA đang làm việc để đưa con người lên mặt trăng (ngân sách dành cho NASA vào thời điểm đó gần 5% so với toàn bộ chính phủ liên bang — gấp 10 lần so với ngày nay).
Trong khi NASA đã không nhấn mạnh nghiên cứu về lực hấp dẫn nhân tạo trong nửa thế kỷ qua, các nhà khoa học cả trong và ngoài cơ quan vũ trụ đang nghiên cứu một loạt các tình huống. Những con chuột quay trong một máy ly tâm nhỏ trên Trạm Vũ trụ Quốc tế vẫn sống sót mà không gặp vấn đề gì và con người sống trên Trái đất đang học cách thích nghi trong phòng quay. Có một tại Phòng thí nghiệm Định hướng Không gian Ashton Graybiel tại Đại học Brandeis và Viện Y học Hàng không Vũ trụ DLR ở Cologne, Đức, là nơi đặt Máy ly tâm cánh tay ngắn DLR, Mô-đun 1 . Đây là chiếc duy nhất thuộc loại này trên thế giới nghiên cứu tác động của trọng lực bị thay đổi, đặc biệt là nó liên quan đến các nguy cơ sức khỏe xảy ra trong môi trường vi trọng lực.
Tại sao chúng ta không có tàu vũ trụ xoay?
Nhưng nếu nhu cầu về lực hấp dẫn nhân tạo là rõ ràng như vậy, tại sao phải bận tâm đến nghiên cứu trong không gian, hoặc trên Trái đất? Tại sao các kỹ sư không bắt tay vào thiết kế những con tàu kéo sợi, như chiếc Hermes?
Câu trả lời là lực hấp dẫn nhân tạo đòi hỏi sự đánh đổi, bởi vì tất cả những gì xoay tròn tạo ra vấn đề. Giống như trên trò chơi Rotor Ride, di chuyển đầu của bạn trong khi bạn đang quay nhanh như vậy sẽ gây ra cảm giác buồn nôn. Quay cũng tác động đến chất lỏng trong tai trong của bạn và bất kỳ bộ phận cơ thể nào khác mà bạn di chuyển khi ở trong môi trường quay.
Và các vấn đề về cảm giác buồn nôn, mất phương hướng và cử động càng trở nên trầm trọng hơn khi bạn quay nhanh hơn (số vòng quay mỗi phút [RPM]). Nhưng lượng trọng lực nhân tạo có thể được tạo ra phụ thuộc vào cả RPM và kích thước của bất cứ thứ gì đang quay.
Để trải qua một lượng trọng lực nhất định - ví dụ một nửa lượng thông thường mà bạn cảm thấy trên Trái đất - độ dài của bán kính quay (khoảng cách từ bạn đứng trên sàn đến tâm của bất kỳ thứ gì đang quay) xác định tốc độ của bạn cần quay. Xây dựng một thủ công hình bánh xe với bán kính 738 feet (225 mét) và bạn sẽ tạo ra trọng lực toàn phần của Trái đất (được gọi là 1G) quay chỉ với 1 RPM . Điều đó đủ chậm để các nhà khoa học chắc chắn rằng không ai buồn nôn hoặc mất phương hướng.
Khác với sàn nhà hơi cong một chút, những thứ trên một món đồ thủ công như vậy sẽ cảm thấy khá bình thường. Nhưng việc xây dựng và bay một cấu trúc khổng lồ như vậy trong không gian sẽ đòi hỏi nhiều thách thức về kỹ thuật.
Điều này có nghĩa là NASA và bất kỳ cơ quan hoặc tổ chức không gian nào khác có khả năng đưa người xung quanh hệ mặt trời trong tương lai phải giải quyết một lượng trọng lực thấp hơn, quay nhanh hơn (nhiều RPM hơn) - hoặc cả hai. Vì không có phòng thí nghiệm nào trên mặt trăng nơi trọng lực bề mặt bằng khoảng 16% bề mặt Trái đất, làm cho nó trở thành một nơi tuyệt vời để nghiên cứu tác động của trọng lực thấp, trái ngược với không trọng lượng, đơn giản là không có đủ dữ liệu để biết làm thế nào nhiều trọng lực mà con người có thể cần cho các sứ mệnh không gian dài hạn hoặc các thuộc địa không gian . Dữ liệu như vậy là cần thiết, cũng như dữ liệu về mức độ quay mà con người có thể chịu đựng một cách hợp lý, và đó là cơ sở lý luận cho nghiên cứu trọng lực nhân tạo đang diễn ra.
Bây giờ thật tuyệt
Đại học Colorado, Boulder đang nghiên cứu cách thiết kế hệ thống quay vòng có thể phù hợp với một căn phòng của trạm vũ trụ hoặc căn cứ mặt trăng trong tương lai . Các phi hành gia có thể chui vào những căn phòng này chỉ vài giờ mỗi ngày để nhận được lượng trọng lực hàng ngày của họ.
