ทำไมเราถึงต้องการแรงโน้มถ่วงเทียมสำหรับภารกิจอวกาศระยะยาว

ลองนึกภาพว่าคุณอยู่ในยานพาหนะหรือเครื่องจักรอื่น ๆ - หมุนไปรอบ ๆ เร็วมากจนแรงกดร่างกายของคุณกับผนังหรือที่นั่ง เมื่อคุณหมุนเร็วขึ้นและเร็วขึ้นแรงกดดันที่บังคับให้คุณพิงกำแพงจะเพิ่มขึ้น (และในทางกลับกันก็จะลดลงเมื่อการหมุนช้าลง) น้ำหนักให้ความรู้สึกเหมือนกับแรงโน้มถ่วงที่ทำให้ร่างกายของคุณติดกับพื้นโลก

หากคุณเป็นเหมือนคนส่วนใหญ่ประสบการณ์ที่น่าทึ่งที่สุดของคุณกับแรงปั่นประเภทนี้อาจมาจากการนั่งในสวนสนุกโดยเฉพาะRotor Rideแบบคลาสสิกที่สร้างความสุขอย่างมาก (และใช่อาเจียน ) ตั้งแต่กลางวันที่ 19 ศตวรรษ.

แต่มีคนจำนวนหนึ่งรวมถึงนักบินอวกาศและนักบินทหารได้สัมผัสกับปรากฏการณ์เดียวกันนี้ในเครื่องหมุนเหวี่ยงที่ได้รับการจัดอันดับโดยมนุษย์ซึ่งเป็นเครื่องจักรที่หมุนเพื่อสร้าง "กองกำลัง G" สูงเหล่านี้หรือที่เรียกว่าการเร่งความเร็ว พวกเขาได้สัมผัสกับG-forceบนเครื่องบินสมรรถนะสูงในระหว่างการเปลี่ยนความเร็วสูงและระหว่างการปล่อยสู่อวกาศและเมื่อยานอวกาศช้าลงอย่างรวดเร็วขณะที่พวกมันเข้าสู่ชั้นบรรยากาศของโลกอีกครั้ง

แรงโน้มถ่วงเทียมคืออะไร?

ตามความเป็นจริงการหมุนประเภทนี้ก่อให้เกิดแรงโน้มถ่วง - แรงโน้มถ่วงเทียมที่แม่นยำ มันให้น้ำหนักกับร่างกายของคุณ - น้ำหนักที่กระดูกและกล้ามเนื้อของคุณไม่สามารถแยกความแตกต่างจากน้ำหนักของโลกหรือดาวเคราะห์ดวงอื่นได้เนื่องจากมวลที่แท้จริงของมัน

ด้วยเหตุนี้นักเขียนนิยายวิทยาศาสตร์จึงจินตนาการถึงยานอวกาศที่หมุนได้ซึ่งสร้างแรงโน้มถ่วงเทียมให้กับนักบินอวกาศในช่วงภารกิจอวกาศที่ยาวนานที่สุดเป็นเวลาหลายทศวรรษ ระยะเหล่านี้เป็นช่วงที่ไม่หนักเป็นพิเศษเนื่องจากเรือเร่งความเร็วเพื่อสร้างความเร็วหรือชะลอตัวในชั้นบรรยากาศ แต่ไม่มีน้ำหนักเนื่องจากการเคลื่อนตัวของยานทำให้ไม่ได้รับผลกระทบจากแรงโน้มถ่วง

สองตัวอย่างของแรงโน้มถ่วงเทียมดังกล่าวในนิยายวิทยาศาสตร์คือภาพยนตร์ปี 2015 "The Martian" และมหากาพย์ปี 1968 "2001: A Space Odyssey" "The Martian" มีลักษณะเป็นยานอวกาศ Hermes ซึ่งมีส่วนรูปวงล้อขนาดใหญ่ที่หมุนไปมาระหว่างการเดินทางระหว่างโลกและดาวอังคาร ในขณะที่กล้องซูมเข้าไปคุณจะสังเกตเห็นว่า "ขึ้น" สำหรับนักบินอวกาศที่อยู่ใน Hermes จะหันไปทางกลางวงล้อเสมอในขณะที่ "ลง" "พื้น" คือขอบล้อ Space Station V ใน " 2001: A Space Odyssey " เป็นสถานีหมุนที่สร้างแรงโน้มถ่วงเทียมเท่ากับแรงโน้มถ่วงของดวงจันทร์

นอกเหนือจากความสะดวกสบายแล้วยังมีเหตุผลที่ดีว่าทำไมเราถึงต้องการแรงโน้มถ่วงเทียมในภารกิจอวกาศระยะไกล ประการแรกในภาวะไร้น้ำหนักร่างกายของเราจะเปลี่ยนแปลงไปในรูปแบบที่อาจเป็นอันตรายเมื่อนักบินอวกาศมาถึงจุดหมายปลายทางเช่นดาวอังคารหรือกลับมายังโลก กระดูกสูญเสียแร่ธาตุ (อ่อนตัวลงเสี่ยงต่อการแตกหัก); กล้ามเนื้อลีบ (หดตัวและอ่อนตัวลง); ของเหลวจะเปลี่ยนไปทางศีรษะและถูกขับออกจากร่างกายทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงในระบบหัวใจและหลอดเลือดและปอดระบบประสาทถูกโยนออกมาจากตี; และในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมานักวิจัยด้านเวชศาสตร์อวกาศได้ค้นพบสิ่งที่อาจเป็นอันตรายต่อดวงตาอย่างถาวรในนักบินอวกาศบางคน นอกจากนี้การวิจัยที่ชี้ให้เห็นว่าแรงโน้มถ่วงอาจจำเป็นสำหรับมนุษย์ในการตั้งครรภ์ตามปกติในอวกาศและดูเหมือนว่าจะเป็นเรื่องง่ายที่ยานอวกาศใด ๆ ที่บรรทุกมนุษย์รอบระบบสุริยะควรหมุนหรือมีบางส่วนของเรือที่ทำ .

การวิจัยแรงโน้มถ่วงเทียม

NASA และคนอื่น ๆ กำลังค้นคว้าความเป็นไปได้นี้หรือไม่?

คำตอบคือใช่ ตั้งแต่ทศวรรษที่ 1960 นักวิทยาศาสตร์ของ NASA ได้พิจารณาถึงโอกาสของแรงโน้มถ่วงเทียมด้วยวิธีการหมุน อย่างไรก็ตามความพยายามการระดมทุนและความกระตือรือร้นโดยรวมได้เพิ่มขึ้นและจางหายไปในช่วงหลายทศวรรษที่ผ่านมา มีงานวิจัยเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วในช่วงทศวรรษ 1960 เมื่อ NASA กำลังดำเนินการส่งมนุษย์ไปดวงจันทร์ (งบประมาณของ NASA ในเวลานั้นเกือบ 5 เปอร์เซ็นต์ของรัฐบาลกลางทั้งหมด - 10 เท่าของที่เป็นอยู่ในปัจจุบัน)

ในขณะที่ NASA ไม่ได้เน้นการวิจัยเกี่ยวกับแรงโน้มถ่วงเทียมในช่วงครึ่งศตวรรษที่ผ่านมานักวิทยาศาสตร์ทั้งในและนอกหน่วยงานอวกาศกำลังศึกษาสถานการณ์ต่างๆหนูที่หมุนอยู่ในเครื่องหมุนเหวี่ยงขนาดเล็กบนสถานีอวกาศนานาชาติรอดชีวิตมาได้โดยไม่มีปัญหาและมนุษย์ที่อยู่บนโลกกำลังเรียนรู้วิธีปรับตัวในห้องหมุน มีหนึ่งในห้องปฏิบัติการปฐมนิเทศแอชตัน Graybiel เชิงพื้นที่ที่มหาวิทยาลัยแบรนและ DLR สถาบันการแพทย์การบินและอวกาศในโคโลญ, เยอรมนี, เป็นบ้านที่DLR สั้นแขนปั่นเหวี่ยงโมดูล 1 เป็นหนึ่งเดียวในโลกที่ค้นคว้าเกี่ยวกับผลกระทบของแรงโน้มถ่วงที่เปลี่ยนแปลงโดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อเกี่ยวข้องกับความเสี่ยงต่อสุขภาพที่เกิดขึ้นในสภาวะไร้น้ำหนัก

ทำไมเราไม่หมุนยานอวกาศ?

แต่ถ้าความต้องการแรงโน้มถ่วงเทียมชัดเจนมากทำไมต้องกังวลกับการวิจัยในอวกาศหรือบนโลก? ทำไมวิศวกรไม่เพียงแค่ทำงานออกแบบเรือปั่นเช่น Hermes?

คำตอบคือแรงโน้มถ่วงเทียมจำเป็นต้องมีการแลกเปลี่ยนเนื่องจากการหมุนทั้งหมดสร้างปัญหา เช่นเดียวกับ Rotor Ride การขยับศีรษะในขณะที่คุณกำลังหมุนอย่างรวดเร็วซึ่งทำให้เกิดอาการคลื่นไส้ การปั่นยังส่งผลกระทบต่อของเหลวในหูชั้นในและส่วนอื่น ๆ ของร่างกายที่คุณเคลื่อนไหวขณะอยู่ในสภาพแวดล้อมที่หมุนได้

และปัญหาอาการคลื่นไส้เวียนศีรษะและการเคลื่อนไหวยิ่งแย่ลงยิ่งคุณหมุนเร็วขึ้น (จำนวนรอบต่อนาที [RPMs]) แต่ปริมาณแรงโน้มถ่วงเทียมที่สามารถผลิตได้นั้นขึ้นอยู่กับทั้ง RPM และขนาดของสิ่งที่หมุน

หากต้องการสัมผัสกับแรงโน้มถ่วงที่กำหนดตัวอย่างเช่นครึ่งหนึ่งของจำนวนปกติที่คุณรู้สึกบนโลก - ความยาวของรัศมีการหมุน (ระยะทางจากที่คุณยืนอยู่บนพื้นถึงจุดศูนย์กลางของสิ่งที่กำลังหมุนอยู่) จะกำหนดความเร็วของคุณ ต้องหมุน สร้างงานฝีมือล้อรูปทรงที่มีรัศมี 738 ฟุต (225 เมตร) และคุณจะผลิตแรงโน้มถ่วงของโลกเต็มรูปแบบ (เรียกว่า 1G) หมุนที่เพียง 1 รอบต่อนาที นั่นช้าพอที่นักวิทยาศาสตร์แน่ใจว่าจะไม่มีใครคลื่นไส้หรือสับสน

นอกจากพื้นจะโค้งเล็กน้อยแล้วสิ่งต่าง ๆ บนเรือเช่นนี้ก็น่าจะเป็นเรื่องปกติ แต่การสร้างและบินโครงสร้างขนาดมหึมาในอวกาศจะก่อให้เกิดความท้าทายทางวิศวกรรมมากมาย

ซึ่งหมายความว่า NASA และหน่วยงานหรือองค์กรอวกาศอื่น ๆ ที่มีแนวโน้มที่จะส่งผู้คนไปรอบ ๆ ระบบสุริยะในอนาคตจะต้องจัดการกับแรงโน้มถ่วงที่น้อยลงการหมุนที่เร็วขึ้น (RPM ที่มากขึ้น) หรือทั้งสองอย่าง เนื่องจากไม่มีห้องปฏิบัติการบนดวงจันทร์ที่มีแรงโน้มถ่วงของพื้นผิวประมาณ 16 เปอร์เซ็นต์ของพื้นผิวโลกทำให้เป็นสถานที่ที่ดีเยี่ยมในการวิจัยผลกระทบของแรงโน้มถ่วงต่ำเมื่อเทียบกับการไร้น้ำหนักจึงมีข้อมูลไม่เพียงพอที่จะทราบได้อย่างไร มนุษย์แรงโน้มถ่วงมากอาจจำเป็นสำหรับภารกิจพื้นที่ในระยะยาวหรืออาณานิคมพื้นที่ จำเป็นต้องใช้ข้อมูลดังกล่าวเช่นเดียวกับข้อมูลเกี่ยวกับจำนวนการหมุนของมนุษย์ที่สามารถทนได้อย่างสมเหตุสมผลและนั่นคือเหตุผลสำหรับการวิจัยแรงโน้มถ่วงเทียมอย่างต่อเนื่อง

ตอนนี้เจ๋งมาก

มหาวิทยาลัยโคโลราโดโบลเดอร์กำลังศึกษาวิธีการออกแบบระบบหมุนเวียนที่สามารถพอดีกับห้องของสถานีอวกาศในอนาคตหรือฐานดวงจันทร์ นักบินอวกาศสามารถคลานเข้าไปในห้องเหล่านี้ได้เพียงไม่กี่ชั่วโมงต่อวันเพื่อรับปริมาณแรงโน้มถ่วงในแต่ละวัน