Как создать искусственную гравитацию на космическом корабле? | КОСМОС
Отвечаем на очередной вопрос присланный читателем:
В одном сайнс фикшн фильме герои живут в космических станциях, где искусственным образом создана гравитация, есть возможность плавать в бассейне и т.д. Возможно ли создание таких условий в реальности?
На данный момент существует несколько концепций создания искусственной силы тяжести на космических кораблях, работу бассейна способны обеспечить лишь некоторые из них.
Искривление пространства-времени
Начнём с наиболее утопической концепции. В общей теории относительности гравитация является проявлением искривления пространства времени. Обычно в космосе пространство-время искривляется массивными телами, такими как звёзды и планеты.
Идея способа заключается в том, чтобы искусственно создать внутри корабля локальную область искривлённого пространства-времени, которое будет порождать гравитацию, на данный момент это невозможно.
Физика не владеет даже полноценной теорией гравитации: в первом приближении гравитацию неплохо описывает теория тяготения Ньютона, во втором — общая теория относительности, но обе эти теории неприменимы на квантовом уровне и необходима новая квантовая теория гравитации, над которой в настоящий момент трудятся множество учёных, но работа пока еще далека от завершения.
О создании технологии управления гравитацией в обозримом будущем и речи быть не может, в дополнение к этому такой подход потенциально может вызвать множество трудностей в работе корабля.
Замена гравитации ускорением
Другой вариант это создание искусственной силы тяжести за счёт работы двигателей корабля, он достаточно просто реализуется, но подходит лишь для длительных перелётов, когда половину пути двигатели будут разгонять корабль, а вторую половину тормозить, за счёт этого на корабле инерция будет прижимать всё к полу и можно обеспечить необходимую силу тяжести.
Кадр из телесериала «Пространство»Кадр из телесериала «Пространство»
Невесомость будет ощущаться лишь короткий период времени, при смене направления работы двигателя, вполне возможно, что через несколько столетий, во время освоения человечеством Солнечной системы этот подход будет активно использоваться.
В научной фантастике такой подход показан, например, в телесериале «Пространство».
Замена гравитации центробежной силой
Третий концепт заключается в создании огромных вращающихся колец, где сила тяжести будет создаваться центробежной силой, а в центральной части корабля при этом будет сохраняться невесомость. Данный подход также не представляет принципиальных проблем в реализации хотя и требует значительного усложнения конструкции корабля.
Кадр из фильма «Космическая одиссея 2001»Кадр из фильма «Космическая одиссея 2001»
Главная проблема состоит в том, что при таком варианте космический корабль или станция должен будет иметь довольно большой радиус, чтобы создать комфортное ощущение силы тяжести. Центробежная сила зависит от радиуса, поэтому чем ближе к центру вращения, тем меньше будет ощущаться создаваемая сила тяжести.
При существенной разнице в силе тяжести ощущаемой разными частями тела у космонавта могут возникнуть различные неприятные эффекты, такие как тошнота, потеря ориентации в пространстве и т.
п. Долговременное пребывание в таких условиях вероятно может иметь не очень хорошие последствия для здоровья. Поэтому для создания комфортной силы тяжести космический корабль должен иметь радиус не менее десяти метров.
Космический корабль в фильме «Марсианин» содержит вращающуюся часть с искусственной силой тяжести
Подобные конструкции на текущем уровне развития технологий слишком дороги и не имеют большого смысла, однако вполне возможно в будущем при длительных межпланетных перелётах будут использоваться вращающиеся космические корабли.
Такой способ создания искусственной силы тяжести показан в фильмах: «Космическая одиссея 2001», «Марсианин» и многих других.
Авторы: астрофизик Карасенко Ф.В., к.т.н. Петров А.В.
Подписывайтесь на наш канал здесь, а также на наш канал на youtube.Каждую неделю там выходят видео, где мы отвечаем на вопросы о космосе, физике, футурологии и многом другом!
Каждую неделю там выходят видео, где мы отвечаем на вопросы о космосе, физике, футурологии и многом другом!Почему космонавтам недоступна искусственная гравитация? / Хабр
В космосе, хотя все массы во Вселенной подчиняются силе гравитации, как обычно, не ощущается «верха» и «низа», как на Земле, поскольку космический корабль и всё, что у него на борту, ускоряется гравитацией с одинаковой скоростью.
Если поместить человека в космос, подальше от гравитационных воздействий, испытываемых им на поверхности Земли, он испытает невесомость. Хотя все массы Вселенной продолжат притягивать его, они продолжат притягивать и космический корабль, поэтому человек будет «плавать» внутри. В сериалах и фильмах типа «Звёздный путь», «Звёздные войны», «Боевой крейсер „Галактика“ и множестве других нам всегда показывают, как члены команды стабильно стоят на полу корабля вне зависимости от прочих условий. Это потребовало бы возможности создания искусственной гравитации – но с учётом законов физики в том виде, в котором мы их знаем сегодня, это слишком трудная задача.
Капитан Габриэль Лорка на мостике „Дискавери“ во время симуляции битвы с клингонами. Всю команду притягивает „вниз“ искусственная гравитация – на сегодня технология из области научной фантастики
С гравитацией связан важный урок принципа эквивалентности: равномерно ускоряющаяся система отсчёта неотличима от гравитационного поля. Если вы находитесь в ракете и не можете выглянуть наружу, у вас не будет способа понять, что происходит: вас придавливает „вниз“ сила гравитации или равномерное ускорение ракеты в одном направлении? Эта идея привела к формулированию общей теории относительности, и, спустя более чем сто лет, это самое правильное из известных нам описание гравитации и ускорения.
Идентичное поведение мяча, падающего на пол, в ускоряющейся ракете и на Земле демонстрирует принцип эквивалентности Эйнштейна
Есть ещё один трюк, который мы могли бы использовать: заставить корабль вращаться. Вместо линейного ускорения (разгонной силы ракеты) можно получить центробежное, в котором человек на борту будет чувствовать, как его притягивает корпус корабля.
Этим знаменит фильм „2001: космическая одиссея“, и эта сила при достаточно большом корабле была бы неотличима от гравитации.
Но это и всё. Три типа ускорения – гравитационное, линейное и вращательное – единственные в нашем распоряжении силы, оказывающие гравитационное воздействие. И для находящихся на борту космического корабля это большая, большая проблема.
Концепция космической станции 1969 года, которую предполагалось собирать на орбите из использованных ступеней программы „Аполло“. Станция должна была вращаться вокруг центральной оси и порождать искусственную гравитацию.
Почему? Потому, что для путешествия в иную звёздную систему придётся ускорять корабль по пути туда, а по прибытию – замедлять. Если вы не сможете защититься от этих ускорений, вас ждёт фиаско. К примеру, чтобы разогнаться до „импульсной скорости“ „Звёздного пути“, до нескольких процентов от скорости света, пришлось бы выдержать ускорение в 4000 g в течение часа. Это в 100 раз больше ускорения, которое предотвратит ток крови в вашем теле – весьма неприятная ситуация, как ни крути.
Запуск шатла Колумбия в 1992 году показывает, что ускорение ракеты происходит не мгновенно, а длится достаточно долгое время, много минут. У космического корабля ускорение должно было быть гораздо большим, чем может выдержать человеческое тело
Более того, если вы не хотите быть невесомым во время долгого пути, и подвергаться ужасным биологическим эффектам вроде потери костной массы и космической слепоты, необходимо, чтобы на ваше тело действовала постоянная сила. Для других сил, кроме гравитации, это не было бы проблемой. К примеру, для электромагнитного воздействия можно было бы поместить команду в проводящую оболочку и это устраняло бы все внешние электромагнитные поля. А потом внутри можно было бы устроить две параллельные пластины и организовать постоянное электрическое поле, заставлявшее бы заряды двигаться в определённом направлении.
Эх, если бы гравитация работала так же.
Схематическая диаграмма конденсатора, две параллельные проводящие пластины которого имеют одинаковые по величине и разные по знаку заряды, что создаёт между ними электрическое поле
Никаких „гравитационных проводников“ не существует, и от гравитации нельзя защититься.
Невозможно создать равномерное гравитационное поле между какими-нибудь пластинами в определённом участке пространства. Причина в том, что в отличие от электричества, создаваемого положительными и отрицательными зарядами, гравитационный „заряд“ бывает одного типа, масса-энергия. Сила гравитации всегда притягивает, и с этим ничего нельзя поделать. Придётся делать всё возможное с тремя доступными типами ускорения – гравитационным, линейным и вращательным.
Подавляющее большинство кварков и лептонов Вселенной состоят из материи, но для каждого из них существуют и частицы антиматерии, гравитационные массы которых не определены
Единственным способом создать искусственную гравитацию, способную защитить вас от эффектов ускорения корабля и придать вам постоянное притяжение „вниз“ без ускорения, было бы открыть новый тип отрицательной гравитационной массы. У всех открытых нами частиц и античастиц масса положительна, но это инерциальные массы, то есть, массы, имеющие отношение к ускорению или созданию частиц (то есть, это m из уравнений F = ma и E = mc2).
Мы показали, что инерциальная и гравитационная массы для всех известных частиц совпадают, но пока не проводили достаточно тщательных проверок для антиматерии и античастиц.
Коллаборация ALPHA ближе других экспериментов подошла к измерению поведения нейтральной антиматерии в гравитационном поле
И в этой области эксперименты идут прямо сейчас! В эксперименте ALPHA на ЦЕРН получили антиводород — стабильную форму нейтральной антиматерии — и сейчас работают над изоляцией её от всех других частиц на низких скоростях. Если он окажется достаточно чувствительным, мы сможем измерить, в какую сторону антиматерия будет двигаться в гравитационном поле. Если она будет падать вниз, как и обычная, тогда её гравитационная масса больше нуля, и её нельзя использовать для создания гравитационного проводника. Но если она будет падать вверх, это изменит всё. Единственный экспериментальный результат внезапно сделает искусственную гравитацию физически возможной.
Возможность получить искусственную гравитацию соблазнительна, но она требует существования отрицательной гравитационной массы.
Такой массой может стать антиматерия, но это пока неизвестно.
Если у антиматерии будет отрицательная гравитационная масса, тогда сделав потолок комнаты из антиматерии, а пол из материи, мы сможем создать искусственное гравитационное поле, постоянно притягивающее вас „вниз“. Построив оболочку корабля из гравитационного проводника, мы защитим всех внутри него от сил сверхвысокого ускорения, которое иначе было бы смертельным. И, что самое прекрасное, люди в космосе больше не будут страдать от отрицательных физиологических эффектов, от нарушения вестибулярного аппарата до атрофии сердечной мышцы, досаждающих современным космонавтам. Но пока мы не откроем частицу (или набор частиц) с отрицательной гравитационной массой, искусственную гравитацию можно будет получить только через ускорение.
Создание искусственной гравитации возможно уже сегодня
Длительные космические полеты, освоение других планет то, о чем ранее писали фантасты Айзек Азимов, Станислав Лем, Александр Беляев и др.
, станет вполне возможной реальностью благодаря знаниям ИСКОННОЙ ФИЗИКЕ АЛЛАТРА. Так как при воссоздании земного уровня гравитации мы сможем избежать отрицательных последствий микрогравитации (невесомости) для человека (атрофия мышц, сенсорные, двигательные и вегетативные расстройства). То есть практически любой желающий человек сможет побывать в космосе независимо от физических особенностей тела. При этом пребывание на борту космического корабля станет более комфортным. Люди смогут использовать уже существующие, привычные для них приборы, средства (например, душ, туалет).
На Земле уровень гравитации определяется ускорением силы тяжести в среднем равняется 9,81 м/с2 («перегрузка» 1 g), в то время как в космосе, в условиях невесомости приблизительно 10
«Земля – это колыбель разума, но нельзя вечно жить в колыбели».
«Мир должен быть еще проще».
Константин Циолковский
Интересно, что для гравитационной биологии – умение создавать различные гравитационные условия будет настоящим прорывом. Станет возможным изучить: как изменяется структура, функции на микро-, макроуровнях, закономерности при гравитационных воздействиях разной величины и направленности. Эти открытия, в свою очередь, помогут развить достаточно новое сейчас направление – гравитационную терапию. Рассматривается возможность и эффективность применения для лечения изменения силы тяжести (повышенная по сравнению с Земной). Повышение силы тяжести мы ощущаем, как будто тело чуть-чуть потяжелело. Сегодня ведутся исследования применения гравитационной терапии при гипертонической болезни, а также для восстановления костных тканей при переломах.
Создание искусственной силы тяжести (искусственной гравитации) в большинстве случаев основываются на принципе эквивалентности сил инерции и гравитации.
Сегодня, как и почти 50 лет назад, для создания искусственной силы тяжести применяются центрифуги (используется центробежное ускорение при вращении космических систем).
Проще говоря во время вращения космической станции вокруг своей оси будет возникать центробежное ускорение, которое будет «выталкивать» человека от центра вращения в сторону и в результате космонавт или другие объекты смогут находится на «полу». Для лучшего понимания этого процесса и с какими трудностями сталкивается ученые давайте посмотрим на формулу по которой определяется центробежная сила при вращении центрифуги:
F=m*v2*r, где m ‒ масса, v ‒ линейная скорость, r ‒ расстояние от центра вращения.
Линейная скорость равняется: v=2π*rT , где Т – количество оборотов в секунду, π ≈3,14…
То есть чем быстрее будет вращаться космический корабль, и чем дальше от центра будет находится космонавт, тем сильнее будет созданная искусственная сила тяжести.
Внимательно посмотрев на рисунок можем заметить, что при небольшом радиусе сила тяжести для головы и для ног человека будет значительно отличатся, что в свою очередь затруднит передвижение.
При движении космонавта в направлении вращения возникает сила Кориолиса.
При этом велика вероятность того, что человека будет постоянно укачивать. Обойти это возможно при частоте вращения корабля 2 оборота в минуту при этом образуется искусственная сила тяжести 1g (как на Земле). Но при этом радиус будет составлять 224 метра (приблизительно ¼ километра, это расстояние подобно высоте 95-этажного здания или в длину как две большие секвои). То есть теоретически построить орбитальную станцию или космический корабль таких размеров можно. Но практически это требует значительных затрат ресурсов, сил и времени, которые в условиях приближающихся глобальных катаклизмов (см. доклад
В следствие невозможности воссоздать необходимое значение уровня гравитации для человека на орбитальной станции или космическом корабле, учёные решили изучить возможность «снижения поставленной планки», то есть создания силы тяжести меньше земной.
Что говорит о том, что за полвека исследований не удалось получить удовлетворяющих результатов. Это неудивительно так как в экспериментах стремятся создать условия, при которых сила инерции или же другие оказывали бы влияние, аналогичное воздействию гравитации на Земле. То есть получается, что искусственная гравитация, по сути, гравитацией не является.
На сегодня в науке существуют лишь теории о том что такое гравитация, большинство из которых основываются на теории относительности. При этом не одна из них не является полной (не объясняет протекание, результаты любых экспериментов в любых условиях, да и ко всему порой не согласовывается с другими физическими теориями подтвержденными экспериментально). Нет четкого знания и понимания: что же такое гравитация, как гравитация связана с пространством и временем, из каких частиц состоит и какие их свойства. Ответы на эти и многие другие вопросы можно найти сопоставив информацию изложенную в книге «Эзоосмос» А.Новых и докладе ИСКОННАЯ ФИЗИКА АЛЛАТРА.
ИСКОННАЯ ФИЗИКА АЛЛАТРА – это намного больше, чем просто физика. Она открывает возможным решения задач любой сложности. Но главное благодаря знанию процессов происходящих на уровне частиц и реальных действий каждый человек может осознать смысл своей жизни, разобраться как работает система и получить практический опыт соприкосновения с духовным миром. Осознать глобальность и первичность Духовного, выйти из рамочных/шаблонных ограничений сознания, за пределы системы, обрести Настоящую Свободу.
«Как говорится, когда имеешь в руках универсальные ключи (знания об основах элементарных частиц), то можешь открыть любую дверь (микро и макромира)».
«В таких условиях возможен качественно новый переход цивилизации в русло духовного саморазвития, масштабного научного познания мира и себя».
«Всё что угнетает человека в этом мире, начиная от навязчивых мыслей, агрессивных эмоций и заканчивая шаблонными желаниями эгоистапотребителя ‒ это результат выбора человека в пользу септонного поля ‒ материальной разумной системы, которая шаблонно эксплуатирует человечество. Но если человек следует выбору своего духовного начала, то он приобретает бессмертие. И в этом нет религии, а есть знание физики, её исконных основ».
Елена Федорова
Как создать гравитацию в невесомости. Проверено на себе Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»
В Институте медико-биологических проблем разработана уникальная установка по созданию искусственной гравитации в условиях невесомости.
Разгоняясь, центрифуга короткого радиуса способна обеспечить силу тяжести, столь необходимую человеческому организму в длительных космических полетах.
Центрифугу короткого радиуса испытывала Наталья БУРЦЕВА Фотографии предоставлены Институтом медико-биологических проблем
В одном из корпусов ИМБП – Института медико-биологических проблем – стоит необычная «карусель»: две кабины, в центре соединяющий узел, где расположен двигатель.
Новая разработка способна реализовать абсолютно любые идеи, связанные с созданием искусственной гравитации. Пока это наземный вариант центрифуги. Бортовой будет меньше, компактнее. Для того чтобы четко понимать, какая конструкция должна быть на борту, сначала ее нужно полностью отработать на Земле.
О-
– Центрифуга короткого радиуса создана при помощи наших ракетостроителей.
Это инновационная разработка, имеющая достаточно большой запрос прочности, – говорит ведущий инженер ИМБП Дмитрий Мерекин. – Установка абсолютно безопасна для испытуемых и имеет неограниченные научные возможности для использования.
Все сделано на будущее – с перспективой создания бортового варианта центрифуги для использования в отдельном модуле космической станции или межпланетного корабля: устройство центрифуги предполагает дальнейшую модернизацию, ее можно будет сделать еще лучше и качественнее.
Экспериментальная установка позволяет вращать двух человек сразу. На компьютере задаются параметры испытателя: возраст, вес, рост и расстояние от оси вращения. Программа просчитывает различную по величине перегрузку на уровне головы, сердца и стоп. Дмитрий Мерекин, обходя «карусель», называет ее не иначе как «последним детищем науки».
– Перед исследованием необходимо настроить видеокамеру, чтобы непрерывно наблюдать за испытуемым и оперативно оценивать внешние изменения на лице человека, в том числе эмоциональные реакции, – отмечает Дмитрий.
Он стоял у истоков создания центрифуги, сам крутился на ней неоднократно.
– А как без этого? Пока установку собирали и модернизировали, все изменения в конструкции обязательно испытывали на себе во время
-О
тренировочных вращений, чтобы понять, как будет удобнее, безопаснее и комфортнее для испытателей. Технические возможности у установки большие.
– В процессе исследований ведется непрерывный врачебный контроль за изменениями со стороны сердечно-сосудистой и дыхательной систем испытателя, – поясняет Милена Колоте-ва, ведущий научный сотрудник лаборатории физиологии ускорений и искусственной силы тяжести ИМБП.
Датчики и приборы позволяют медикам следить за состоянием испытуемого, оперативно принимать решения и прервать исследование в случае ухудшения самочувствия человека, находящегося на установке.
Почти столетие от идеи до воплощения
Милена Колотева напоминает нам, что идея создания искусственной силы тяжести принадлежит Константину Циолковскому и была предложена еще в начале XX века. Позднее ее поддерживали Сергей Королёв и Вернер фон Браун. Но вот к технологической реализации приступили только в середине прошлого века.
– Первая центрифуга короткого радиуса была создана в нашем институте, – комментирует Милена. – Устройство, которое перед вами, -это уже центрифуга четвертого поколения.
Милена КОЛОТЕВА, ведущий научный сотрудник лаборатории физиологии ускорений и искусственной силы тяжести ИМБП:
– В области космической медицины центрифуги используются по двум направлениям.
Традиционное использование – в практике авиационной и космической медицины, в первую очередь для изучения переносимости животными и человеком перегрузок различных направлений и физических характеристик, преимущественно к взлету и посадке космических кораблей; для разработки и апробации различных методов и устройств противоперегрузочной защиты; определения устойчивости летчиков и космонавтов к перегрузкам при проведении медицинского отбора и переосвидетельствования, проведения тренировок космонавтов и т.
д.
Для этих целей наиболее адекватными установками являются центрифуги среднего радиуса (порядка 7 м), имеющиеся в ГНЦ РФ ИМБП РАН (ИМБП) и РГНИИ ЦПК имени Ю. А. Гагарина (ЦПК), или большого радиуса (18 м) – такая центрифуга установлена в ЦПК. Эти центрифуги вполне отвечают задачам отбора и подготовки космонавтов.
Второе направление в космической медицине, для которого могут применяться центрифуги, – проблема искусственной гравитации (ИГ), создаваемой в космическом полете с помощью центрифуги, установленной на борту пилотируемого корабля. Для решения этих – перспективных – задач необходим наземный лабораторный стенд, который традиционно называется «центрифуга короткого радиуса» (ЦКР). Разработка проблемы создания на борту межпланетного космического корабля специального устройства для борьбы с неблагоприятным влиянием невесомости на организм человека – ЦКР – является составной частью программы медицинского обеспечения длительных пилотируемых полетов и предназначена, совместно с традиционными средствами профилактики, для поддержания – на новом качественном уровне – здоровья и работоспособности космонавтов; защиты их от неблагоприятного воздействия невесомости и сокращения периода реадаптации после возвращения на Землю.
Оно воплощает в себе все достижения и учитывает все недостатки, которые есть в центрифугах, разработанных в разных странах мира, – японских, немецких, американских.
Новая разработка способна реализовать абсолютно любые идеи, связанные с созданием искусственной гравитации. Пока это наземный вариант центрифуги. Бортовой будет меньше, компактнее. Для того чтобы четко понимать, какая конструкция должна быть на борту МКС, все вопросы, связанные с использованием установки в космосе, нужно полностью отработать на Земле.
– Чем дольше космонавты находятся в невесомости, тем больше они утрачивают «гравитационные стимулы». В космосе исчезают гидростатическое давление крови, весовая нагрузка на костно-мы-шечный аппарат, происходят изменения в функционировании афферентных систем. В частности, отсутствует чувство опоры. А для космонавтов это очень желаемое чувство.
И наша центрифуга поможет им его не забыть.
Милена Колотева говорит о большом накопленном опыте медицинского обеспечения космических полетов специалистами ИМБП. Этот опыт свидетельствует о негативном влиянии невесомости на организм человека: пребывание в невесомости приводит к снижению функциональных возможностей и работоспособности.
Перед экспериментом Милена отмечает: важно зафиксировать как можно больше субъективных (собственных впечатлений испытуемых) и объективных медицинских физиологических данных для формирования необходимой научной базы, которой предстоит решить очень широкий спектр вопросов, в том числе найти оптимальные режимы воздействия на центрифуге.
– Смысл эксперимента в том числе и в том, чтобы мы получали онлайн как можно больше субъективных впечатлений и физиологической информации от испытателя во время каждой фазы вращения.
Режимы вращений на установке должны быть максимально отработаны на Земле, чтобы пребывание на ней космонавтов в космосе было полезным и комфортным.
О о
– Вам должно быть комфортно лежать, чтобы ничто не мешало. Руками мы не двигаем, – так начинается мое испытание на гравитационной центрифуге.
Чтобы достичь значительного эффекта, находясь на орбите, космонавты должны заниматься на ЦКР постоянно, например по два часа в день. Во время перелета к дальним планетам в центрифуге даже можно спать.
В руках испытателя особая ручка с кнопками: та, что посередине, должна быть нажатой все время, пока человек находится в центрифуге, – это показатель состояния испытателя. Если кнопку отжать, центрифуга тут же остановится, поскольку это послужит сигналом о потере сознания.
Есть еще одна кнопка -большая красная. Ее необходимо нажимать, как только загораются красные лампочки по периметру.
Итак, начинается вращение. Набор скорости: один оборот, два, три. Центрифуга разгоняется. Когда кровь начинает перераспределяться -отливать от головы, периферическое зрение становится нечетким. И тут начинается тест. Загораются красные лампочки, и необходимо их сразу же гасить.
Набрав обороты, центрифуга выходит на площадку в две единицы. При вращении создается четкое ощущение, что ты стоишь: тяжесть в ногах такая же, как при обычной ходьбе. Мозг-то понимает, что тело находится горизонтально, но кровь распределилась так, словно я в вертикальном положении.
В этих стенах карусель называют стендом центрифуги короткого радиуса. Экспериментальная установка позволяет вращать двух человек сразу. На компьютере задаются параметры испытателя: возраст, вес, рост и расстояние от оси вращения. Программа просчитывает перегрузку, которая затрагивает голову, сердце и ноги испытателя.
О
Тело по горизонтали, кровь по вертикали
Итак, начинается вращение. Набор скорости: один оборот, два, три. Центрифуга разгоняется. Когда кровь начинает перераспределяться -отливать от головы, периферическое зрение становится нечетким. И тут начинается тест. Загораются красные лампочки, и необходимо их сразу же гасить.
– Отличная реакция, – отмечают специалисты лаборатории ИМБП.
Тем временем центрифуга, набрав обороты, выходит на площадку величиной в две единицы. При вращении создается четкое ощущение, что ты становишься на ноги: тяжесть в ногах такая же, как при обычной ходьбе.
Я осознаю, что мое тело находится в горизонтальном положении, но ощущения таковы, словно стою на ногах!
– Что-то изменилось в самочувствии?
Вопросы звучат постоянно, специалистам важно знать состояние в каждый момент испытания. Постепенно становится комфортнее. Можно без ущерба вращаться в течение 30 минут… О таком состоянии мечтают все космонавты на орбите. В условиях невесомости происходит отток крови от ног к верхней части тела, к голове. Это приводит к атрофии мышц, и космонавты практически теряют навык передвигаться на ногах при возвращении на Землю.
-О
– Адаптация к невесомости происходит довольно быстро, – говорит Милена Колотева. – Разработанный специалистами нашего института комплекс мер профилактики неблагоприятного влияния невесомости позволяет обеспечить длительные – в течение одного-полутора лет -пребывание и работоспособность космонавтов в условиях орбитальных полетов.
Однако, несмотря на применяемые меры профилактики, явления детренированности развиваются со стороны многих органов и систем организма и сохраняются в течение полутора-двух месяцев после возвращения на Землю, даже при применении комплекса восстановительно-лечебных мероприятий, а изменения костной ткани сохраняются до двух-трех лет. Резкая перестройка к земной гравитации, которая происходит с организмом на спуске, неблагоприятна в первую очередь для сердечно-сосудистой системы. Периодические вращения на центрифуге короткого радиуса в невесомости искусственно восполняют эффекты гравитационной среды.
Создание вращающегося тора – пока фантастика…
Получить искусственную гравитацию возможно лишь двумя способами. Один из них – закрутка корабля вокруг своей оси, создание так называемого вращающегося тора, как показано во множестве фантастических фильмов.
О
о
– Замечательная красивая идея.
Эквивалентом земной гравитации на космическом корабле может явиться центробежная сила, создаваемая равномерным вращением всего объекта или его части. К сожалению, обеспечить на орбите равномерное вращение модуля или части космического межпланетного корабля технически никто в мире сейчас не готов, – говорит Милена Колотева. – Наиболее реализуемым на данный момент с технической точки зрения средством для воспроизводства отсутствующих в условиях сверхдлительной невесомости гравитационных стимулов может быть создание искусственной силы тяжести путем использования на борту пилотируемой станции центрифуги короткого радиуса.
Подготовка к лунной миссии
Ученые уже работают над новой модификацией центрифуги, которую можно будет отправить на орбитальную станцию, чтобы каждый космонавт смог испытывать в невесомости столь необходимую ему гравитацию.
– Мы считаем, что эта центрифуга должна обязательно находиться на борту космической станции и на борту будущего межпланетного корабля, – отмечает Милена.
– Без нее пребывание в длительном полете, так же как и на лунной базе, будет невозможным, если, конечно, космонавты и астронавты планируют возвращение на Землю…
Пока на Земле вырабатывают рекомендации и возможные режимы вращения на центрифуге для достижения необходимых эффектов. Сотрудники института и ученые сами испытывают устройство и создают научную базу. Исследования на центрифуге прошли участницы эксперимента «Луна-2015». Хоть этот «полет» был условным, испытания проводились в полном объеме. Женский экипаж – кстати, полностью состоящий из сотрудниц ИМБП, -впервые в истории принял участие в исследованиях на центрифуге.
– Если мы приступаем к созданию лунной базы и реализации идеи межпланетных полетов, необходимо уже сейчас обеспечить космонавтов новым средством профилактики, с которым они бы могли совершить сверхдлительный полет без весомых потерь для организма, – говорит Милена.
– Космонавты должны спокойно достичь Луны, без помощи выйти из космического корабля и тут же приступить к реализации построения лунной базы. Им
нужно будет полноценно работать и существовать в этой среде. Совершив длительный перелет к Марсу, они тоже должны оказаться на поверхности, работать и вернуться назад.
Центрифуга в травматологии: быстрое восстановление после переломов
На основании положительных результатов исследований на ЦКР в интересах пилотируемой космонавтики возникла идея использовать центрифугу в общемедицинской практике, а именно – для профилактики и лечения нарушений кровообращения в нижних конечностях. Серии обстоятельных исследований на ЦКР первого и второго поколений подтвердили эффективность и перспективу использования ЦКР для терапии ряда заболеваний, в частности для больных, страдающих недостаточным кровоснабжением ног, для усиления притока артериальной крови к ишемизированным и травмированным нижним конечностям, а также реабилитации пациентов.
– Центрифуга может принести большую пользу народному здравоохранению. Сам стенд достаточно безопасный. В настоящее время физиотерапевтический фактор, который назван «гравитационной терапией», является перспективным направлением. На центрифуге возможно решать задачи, связанные с восстановлением костной ткани в случае травматических повреждений, – рассказала Милена. -При помощи центрифуги возможно и решение проблем, связанных с патологией нижних конечностей, в частности диабетической ан-гиопатии, при остаточных ишемиях после эмболэктомий и тромбэктомий, а также при повреждениях периферических артерий. Положительные результаты были получены практически у всех больных за счет эффекта перераспределения крови из верхней половины тела к нижним конечностям. Исследования, которые проводятся в Самарском университете, показали, что пребывание на центрифуге значительно ускоряет процесс реабилитации после переломов, позволяет избежать оперативного вмешательства и приводит к восстановлению функций нижних конечностей без осложнений.
Так что легкая и приятная гравитация стоит на страже здоровья землян.
О
о
Искусственная гравитация в Sci-Fi — Бородокаст
Вы можете не интересоваться космосом, но наверняка читали о нем в книгах, видели в фильмах и играх. В большинстве произведений, как правило, присутствует гравитация — мы не обращаем на нее внимания и воспринимаем как данность. Вот только это не так.
Если не углубляться в физику дальше школьного курса, то гравитация — фундаментальное взаимодействие тел, благодаря которому все они притягивают друг друга.
Массивные притягивают сильнее, меньшие — слабее.
Земля это как раз такой массивный объект. Поэтому люди, животные, здания, деревья, травинки, смартфон или компьютер — все притягивается к Земле. Мы к этому привыкли и никогда не задумываемся о такой мелочи.
Главное следствие притяжения Земли для нас — ускорение свободного падения, также известное как g.
Оно равно 9,8 м/с². Любое тело при отсутствии опоры будет одинаково ускоряться к центру Земли, набирая 9,8 метров скорости каждую секунду.
Благодаря этому эффекту мы ровно стоим на ногах, различаем «верх» и «низ», роняем вещи, и так далее. Убери притяжение Земли — и все привычные действия перевернутся с ног на голову.
Лучше всего это знают космонавты, которые проводят существенную часть своей жизни на МКС. Они заново учатся пить, ходить, справлять базовые нужды.
Вот несколько примеров.
При этом в упомянутых фильмах, сериалах, играх и прочей фантастике гравитация на космических кораблях «просто есть».
Создатели даже не объясняют, откуда она там появилась — а если и объясняют, то неубедительно. Какие-то «генераторы гравитации», принцип работы которых неизвестен. Это никак не отличается от «просто есть» — лучше вообще не объяснять в таком случае. Так честнее.
Теоретические модели искусственной гравитации
Создать искусственную гравитацию можно несколькими способами.
Много массы
Первый (и самый «правильный») вариант — увеличить корабль, сделать его очень массивным. Тогда гравитационное взаимодействие будет обеспечивать требуемый эффект.
Но нереальность данного способа очевидна: для такого корабля нужно очень много материи. Да и с равномерностью распределения гравитационного поля нужно что-то делать.
Постоянное ускорение
Так как нам нужно достичь постоянного ускорения свободного падения в 9,8 м/с², то почему бы не сделать космический корабль в виде платформы, которая будет ускоряться перпендикулярно своей плоскости с этим самым g?
Таким образом нужный эффект будет достигнут — но есть несколько проблем.
Во-первых, нужно откуда-то брать топливо для обеспечения постоянного ускорения. И даже если кто-то вдруг придумает двигатель, который не требует выброса материи, закон сохранения энергии никуда не пропадет.
Во-вторых, проблема заключается в самой природе постоянного ускорения. Наши физические законы гласят: ускоряться вечно нельзя. Теория относительности же говорит обратное.
Даже если корабль периодически будет менять направление, для обеспечения искусственной гравитации он должен постоянно куда-то лететь. Никаких зависаний вблизи планет. Если корабль остановится, то гравитация пропадет.
Так что и такой вариант нам не подходит.
Карусель-карусель
А вот тут уже начинается самое интересное. Все знают, как работает карусель — и какие эффекты испытывает человек в ней.
Всё, что находится на ней, стремится выскочить наружу соразмерно скорости вращения. Со стороны карусели же получается, что на все действует сила, направленная вдоль радиуса.
Вполне себе «гравитация».
Таким образом, нам нужен корабль в форме бочки, который будет вращаться вокруг продольной оси. Такие варианты довольно часто встречаются в научной фантастике.
При вращении вокруг оси возникает центробежная сила, направленная вдоль радиуса. Поделив силу на массу, мы получим искомое ускорение.
Высчитывается все это по незамысловатой формуле:
a=ω²R,
где a — ускорение, R — радиус вращения, а ω — угловая скорость, измеряемая в радианах в секунду (радиан это примерно 57,3 градуса).
Что нам нужно для нормальной жизни на воображаемом космическом крейсере? Комбинация радиуса корабля и угловой скорости, чье производное выдаст в итоге 9,8 м/с².
Нечто подобное мы видели в ряде произведений: «2001 год: Космическая одиссея» Стэнли Кубрика, сериал «Вавилон 5», «Интерстеллар» Нолана, роман «Мир-Кольцо» Ларри Нивена, вселенная игр Halo.
Во всех них ускорение свободного падения примерно равно g — все логично.
Однако и в этих моделях существуют проблемы.
Проблемы «карусели»
Самую явную проблему, пожалуй, проще всего объяснить на примере «Космической одиссеи». Радиус корабля составляет примерно 8 метров — для достижения ускорения, равного g, требуется угловая скорость примерно в 1,1 рад/с. Это примерно 10,5 оборотов в минуту.
При таких параметрах в силу вступает «эффект Кориолиса» — на разной «высоте» от пола на движущиеся тела действует разная сила. И зависит она от угловой скорости.
Так что в нашей виртуальной конструкции мы не можем вращать корабль слишком быстро, поскольку это приведет к внезапным падениям и проблемам с вестибулярным аппаратом. А с учетом формулы ускорения, не можем мы себе позволить и маленький радиус корабля.
Поэтому модель «Космической одиссеи» отпадает. Примерно та же проблема и с кораблями в «Интерстелларе», хотя там с цифрами уже все не так очевидно.
Вторая проблема находится с другой стороны спектра. В романе Ларри Нивена «Мир-Кольцо» корабль представляет собой гигантское кольцо с радиусом, примерно равным радиусу земной орбиты (1 а.
е. ≈ 149 млн км). Таким образом он вращается с вполне удовлетворительной скоростью для того, чтобы человек не заметил эффект Кориолиса.
Казалось бы — все сходится, но и тут есть проблема. Один оборот займет 9 дней, что создаст огромные перегрузки при таком диаметре кольца. Для этого нужен очень крепкий материал. На данный момент человечество не может произвести такую прочную конструкцию — не говоря уже о том, что где-то нужно взять столько материи и еще все построить.
В случае с Halo или «Вавилоном 5» все предыдущие проблемы вроде отсутствуют: и скорость вращения достаточная, чтобы эффект Кориолиса не имел негативного воздействия, и построить такой корабль реально (гипотетически).
Но и у этих миров есть свой минус. Имя ему — момент импульса.
Раскручивая корабль вокруг оси, мы превращаем его в гигантский гироскоп. А отклонить гироскоп от своей оси сложно из-за момента импульса, количество которого должно сохраняться в системе. А значит, лететь куда-то в определенном направлении будет тяжело.
Но эта проблема решаема.
Как должно быть
Называется это решение «цилиндр О’Нила»: берем два одинаковых корабля-цилиндра, соединенные вдоль оси и вращающиеся каждый в свою сторону. В результате мы имеем нулевой суммарный момент импульса, и проблем с направлением корабля в нужном сторону быть не должно.
При радиусе корабля в 500 метров и более (как в «Вавилоне 5») все должно работать как надо.
Какие мы можем сделать выводы о реализации искусственной гравитации в космических кораблях?
Изо всех вариантов самым реальным выглядит именно вращающаяся конструкция, в которой сила, направленная «вниз», обеспечивается центростремительным ускорением. Создать же искусственную гравитацию на корабле с плоскими параллельными конструкциями вроде палуб, учитывая наше современные понимание законов физики, невозможно.
Радиус вращающегося корабля должен быть достаточным, чтобы эффект Кориолиса был незначительным для человека. Хорошими примерами из придуманных миров могут служить уже упоминавшиеся Halo и «Вавилон 5».
Для управления такими кораблями нужно построить цилиндр О’Нила — две «бочки», вращающиеся в разном направлении для обеспечения нулевого суммарного момента импульса для системы. Это позволит адекватно управлять кораблем — вполне реальный рецепт обеспечения космонавтов комфортными гравитационными условиями.
И до того момента, как мы сможем построить нечто подобное, хотелось бы, чтобы фантасты уделяли больше внимания физической реалистичности в их произведениях.
Блогер придумал, как добавить искусственную гравитацию на Starship Маска
Неизвестно, как к этому отнесется Илон Маск, но пользователь smallstars работает уже над второй версией своей системы для создания на кораблях Starship искусственной силы тяжести. Она сбережет здоровье астронавтов во время полета на Марс, уверен он.
Идея, о которой блогер с ником smallstars рассказал подписчикам своего YouTube-канала, отчасти вдохновлена различными произведениями научной фантастики. В зависимости от их реалистичности вымышленные космические корабли генерируют собственную силу тяготения либо посредством какого-нибудь устройства, либо с помощью вращающихся модулей.
Первый вариант относится к той же категории, что и сверхсветовые двигатели, а вот второй вполне возможно реализовать.
Впервые концепцию искусственной гравитации описал еще «дедушка» космонавтики Константин Циолковский. В 1903 он опубликовал работу «Исследование мировых пространств реактивными приборами», в которой предложил использовать поворачивающую силу для создания тяготения в космосе. С тех пор появились и другие идеи: колесо фон Брауна, цилиндр О’Нила, Стэнфордский тор. Некоторые концепции всерьез обсуждались специалистами NASA.
Проведя ряд изысканий, smallstars выступил с идеей связанных гравитацией кораблей Starship (Gravity Link Starship, GLS).
Конструкция состоит из трех одинаковых ракет, соединенных друг с другом фермами-спицами. Центральный корабль становится в таком случае ступицей колеса. В его трюме вместо пассажиров и грузов хранятся фермы, необходимые для соединения с двумя другими ракетами, рассказывает Universe Today.
Как только все три Starship взлетают, они автоматически соединяются в единую конструкцию.
Два корабля на «ободе» колеса запускают двигатели и вращаются по кругу. Как только будет достигнуто достаточное ускорение, имитирующее земную силу тяжести в 1 g, крайние корабли сменят положение и перейдут в пассивный режим, а пассажиры смогут наслаждаться гравитацией на протяжении всего полета к Марсу.
Длительное пребывание в условиях невесомости действительно вредит здоровью: мышцы тела атрофируются, кости теряют плотность, ухудшается зрение, работа сердца, происходят изменения даже на генетическом уровне.
Помимо описания системы GLS, smallstars выполнил необходимые математические расчеты, чтобы определить скорость вращения кораблей, необходимую для достижения земной силы тяжести, а также прочность соединительных ферм. Получилось, что скорость для конструкции диаметром 100 метров должна быть 31 м/с, то есть три оборота в минуту.
Сейчас smallstars готовит вторую версию предложения, включающую обновленные расчеты вращения и новую форму ферм, к которым для усиления конструкции он добавил кабели. В третьем выпуске он обещает представить вычисления массы груза и показать анимацию механизма работы ферм.
Стартап Gateway Foundation тоже задумывается об искусственной гравитации, но в более практических целях. Основатели решили построить на орбите отель для богатых туристов, желающих провести несколько дней в космосе, не лишаясь привычного комфорта.
Искусственная гравитация перестаёт быть фантастикой
Искусственная гравитация давно была описана в фантастических романах и показана в фильмах вроде «Космической одиссеи 2001 года». Теоретически возможность создания искусственной гравитации не отрицается. Однако до проектов, которые можно было бы протестировать в условиях космических станций в ближайшее время, дело практически не доходило. Но совсем скоро все может измениться благодаря стараниям команды CU Boulder.
Зачем нужна искусственная гравитация
На самом деле тут все довольно просто и суть заключена в человеческой физиологии. Дело в том, что наши тела устроены таким образом, чтобы существовать, когда на все наши внутренние органы и костно-мышечный аппарат действует сила притяжения. В условиях космических станций этого воздействия, как вы понимаете, практически нет, что в перспективе чревато возникновением различных проблем со здоровьем. И если мускулатуру и суставы можно поддерживать в тонусе, занимаясь на специальных тренажерах, то вот внутренние органы таким образом не «потренируешь».
«Астронавты испытывают потерю костной и мышечной массы, сильную нагрузку на сердечно-сосудистую систему и имеют массу других рисков», — говорит Торин Кларк, один из руководителей CU Boulder. » Конечно, есть ряд упражнений и мер по поддержанию здоровья космонавтов, но искусственная гравитация помогла бы решить все проблемы разом.»
Как устроена установка по созданию искусственной гравитации
Сами разработчики называют машину «центрифугой с коротким радиусом действия». Установка представляет собой металлическую платформу, похожую на больничную каталку. На нее ложится человек, после чего платформа начинает вращаться. Сначала она вращается медленно, со временем набирая обороты.
«Угловая скорость, создаваемая центрифугой, толкает тело к основанию платформы. Это почти то же самое, как если бы вы стояли на земле.» — объяснил принцип действия господин Кларк.
При этом в ходе разработки инженеры столкнулись с весьма очевидной проблемой: при долгом вращении человека начинает тошнить. Можно ли избавиться от такого побочного эффекта? Как выяснилось, можно. Во время испытаний к 10 сеансу все испытуемые комфортно вращались в центрифуге, не испытывая никаких проблем. Скорость вращения при этом составляла 17 оборотов в минуту.
Это интересно: Как низкая гравитация Луны влияет на здоровье астронавтов?
Почему нельзя использовать установку прямо сейчас
Прежде, чем приступать к полномасштабным испытаниям в космосе, ученым нужно ответить на ряд вопросов. А именно, надолго ли закрепляется эффект от обучения нахождению в центрифуге, не имеет ли такой подход отдаленных последствий для здоровья и, самое главное, как долго астронавту нужно принимать это «гравитационную ванну» для того, чтобы компенсировать все негативные последствия невесомости. Как только целесообразность и безопасность подхода, разработанного командой CU Boulder, будет доказана, можно будет ожидать появления первой рабочей установки по созданию искусственной гравитации в условиях космоса.
Обсудить эту и другие новости вы можете в нашем чате в Телеграм.
Три способа создания искусственной гравитации в космосе, включая метод «Святого Грааля»
В космосе невесомость, мягко говоря, неудобна.Ваши инструменты летают повсюду. Кушать труднее. Пользоваться туалетом – утомительно. Не говоря уже о том, что есть все эти надоедливые проблемы со здоровьем, которые со временем накапливаются – атрофируются мышцы, ослабевают кости и ухудшается зрение.
Как научно-фантастическое телевидение демонстрирует нам с середины 20-го века (отчасти из-за бюджетных и технических ограничений), искусственная гравитация – это лучший способ. Зачем плыть, если можно ходить?
Хотя эти шоу часто «обманывают», призывая далекие футуристические технологии для преодоления микрогравитации, есть несколько методов, которые могут быть реализованы в ближайшем будущем, если люди сосредоточат свои усилия.А для тех, кто стремится к успеху, есть еще «футуристическое» решение, которое может стать настоящим прорывом.
Первый способ на самом деле довольно простой: ускорение. Подумайте об этом первоначальном скачке скорости, когда вы поднимаетесь в лифте – вас заставляют лечь на пол. Космический корабль, который постоянно ускоряется, будет эффективно создавать гравитационное притяжение в направлении, противоположном ускорению. Таким образом, корабль, который постепенно ускоряется к месту назначения, может поддерживать искусственную гравитацию, возможно, не такую, как у Земли, но все же достаточную, чтобы уменьшить нагрузку на человеческое тело и сделать внутреннюю жизнь на борту корабля гораздо более удобной.На последнем этапе путешествия корабль мог просто постепенно замедляться, чтобы создать искусственную гравитацию.
НАСА
Ключевым препятствием для этого метода является состояние двигательной техники. Нам потребуются мощные и долговечные двигатели. Электромагнитные двигатели, которые перемещают потоки ионов, могут быть нашей лучшей надеждой здесь, но в их нынешнем состоянии они будут способны обеспечить лишь крошечные уровни искусственной гравитации, которых едва ли будет достаточно, чтобы иметь значимое значение.
Что может иметь значение сегодня, так это другой метод: центростремительная сила. Вероятно, это будет первая форма искусственной гравитации, которую люди широко применяют в космосе. Возможно, вы уже испытывали центростремительную силу в ее самой тошнотворной форме, если когда-либо посещали парк развлечений. В аттракционе Gravitron и его различных вариантах вы забираетесь внутрь устройства в форме блюдца и прижимаетесь к стенам, когда оно начинает яростно вращаться. Это потому, что стены прилагают силу к центру сферы.Если вы не соблюдаете меры предосторожности, вы обнаружите, что благодаря центробежным силам внутри гравитрона вы можете «стоять» боком.
Чтобы воспроизвести эффекты гравитрона в космосе, нам нужно создать своего рода космический корабль, который вращается вокруг центральной оси или имеет секции, вращающиеся вокруг оси. Чтобы сделать это без тошнотворных эффектов, нам нужно было бы сделать его довольно большим, а размер – проблема, когда нужно запустить что-то с поверхности Земли в космос.
Для имитации гравитации Земли внутри отсека, который вращается вокруг своего центра с извилистой 30-секундной скоростью, потребуется радиус 224 метра.Бремя размеров уменьшится, если мы примем меньшую силу тяжести.
Центрифуга NASA Nautilus-X была разработана для установки на МКС.
Группа оценки технологических приложений НАСА
Надувные среды обитания, использующие центростремительные силы для создания искусственной гравитации, могут быть развернуты относительно легко и дешево, но безопасность – это самая большая проблема.
Однако эти досадные инженерные проблемы можно обойти с помощью радикального прорыва, который подводит нас к нашему третьему методу искусственной гравитации.Как описал астрофизик Итан Сигель в Forbes:
Единственный способ создать искусственную гравитацию, как для защиты вас от эффектов ускорения вашего корабля, так и для обеспечения постоянного тяги «вниз» без необходимости его ускорения, – это если вы каким-то образом обнаружите тип отрицательного гравитационная масса.
Сейчас над этим работают эксперименты! Эксперимент ALPHA в ЦЕРНе создал антиводород: стабильную форму нейтрального антивещества и работает над тем, чтобы изолировать его от всех других частиц на очень низких скоростях…. мы могли бы затем измерить, как он падает в гравитационном поле. Если он падает, как обычная материя, тогда он имеет положительную гравитационную массу, и мы не можем использовать ее для создания гравитационного проводника. Но если он падает в гравитационном поле, это все меняет. С единственным экспериментальным результатом искусственная гравитация внезапно стала бы физической возможностью.
Если антивещество имеет отрицательную гравитационную массу, то, установив потолок из антивещества и пол из нормальной материи, мы могли бы создать искусственное гравитационное поле, которое всегда тянуло вас вниз.Построив гравитационно-проводящую оболочку в качестве корпуса нашего космического корабля, каждый внутри будет защищен от сил сверхбыстрого ускорения, которые в противном случае оказались бы смертельными.
Физики элементарных частиц в эксперименте ALPHA в ЦЕРНе надеются измерить гравитационное воздействие на антивещество уже в следующем году.
По мере того, как в ближайшие годы коммерциализация космоса ускоряется – подумайте об отелях, местах отдыха и горнодобывающей промышленности – мы, вероятно, можем ожидать возобновления внимания к искусственной гравитации.Это может стать следующим последовательным способом сделать космос более похожим на дом.
Можем ли мы действительно создать искусственную гравитацию в космосе?
Мы все видели искусственную гравитацию во многих научно-фантастических фильмах или читали и мечтали о ней в романах. Но возможно ли это на самом деле? В космосе длительное воздействие низкой гравитации вызывает реальные проблемы со здоровьем космонавтов. Это может быть атрофия мышц, снижение плотности костей, нарушение иммунного ответа, нарушение психического здоровья и бессонница и многие другие.Ясно, что если мы собираемся «взять свою судьбу» и исследовать звезды или даже поселиться в них, нам нужно будет преодолеть раздражающую потребность в гравитации.
Давайте посмотрим на некоторые возможные решения.
Проблема под рукой
Астронавты регулярно испытывают прерывистые линейные ускорения во время запуска и нарушение гравитации и атмосферы Земли. Эти силы, однако, не являются технически искусственной гравитацией, а являются побочными эффектами перехода в пустоту. В этом контексте мы имеем в виду устойчивую силу, созданную намеренно технологией, предназначенной для обеспечения этого эффекта.К сожалению, практическое решение еще не разработано и развернуто. В основном это связано с требуемыми размерами и стоимостью доставки компонентов в космос. Конечно, мы могли бы построить корабль на орбите, используя материал, добытый с Луны или астероидов. Возможно, мы могли бы даже использовать космические лифты.
Если бы мы могли разработать системы искусственной гравитации, мы могли бы теоретически продлить пребывание человека в средах с низкой гравитацией до бесконечности. Это, конечно, будет зависеть от решения других проблем, таких как еда, вода и социальное взаимодействие.Искусственная гравитация устранит или, по крайней мере, смягчит неблагоприятные последствия воздействия низкой или нулевой гравитации на здоровье человеческого тела.
Текущие предложения
Фильмы и сериалы вроде «Космической одиссеи 2001 года», «Элизиум» или, что самое важное, космической станции Superted, демонстрируют нам общепринятые решения. Обычно они включают вращение, вызывающее центробежные силы / эффекты для имитации силы тяжести. Другие решения могут включать магнетизм или «поля» для обеспечения желаемых эффектов. В следующих нескольких разделах мы кратко обсудим эти различные решения.
Космическая станция SuperTed [Источник изображения: superted.wikia.com ]
Решение для вращения
Это, как правило, подходящее решение во многих изображениях нашего будущего в космосе. Фактически, это решение предлагает использовать вращающийся цилиндр, тор или сферу. Они будут имитировать эффекты гравитации, создаваемые массивными объектами, такими как планеты. Принцип состоит в том, чтобы создать силу, часто называемую центробежной силой или эффектом, чтобы «прижать» космонавтов к внешнему краю вращающейся секции станции.Изменяя радиус и скорость вращения, вы можете напрямую влиять на симулируемую силу «гравитации».
Интересно, что центробежную силу часто называют псевдосилой, поскольку на самом деле это не сила. На самом деле это скорее инерционное движение от оси вращения. По сути, это результат центростремительной силы объекта, движущегося по круговой траектории.
Помимо семантики, вы часто чувствуете этот эффект при использовании аттракционов, таких как Gravitron. Вращение езды сбивает вас с толку и вызывает, честно говоря, тошнотворное впечатление, возможно, это только я.Вы также можете создать это, вращая ведро с водой над головой с достаточной скоростью.
Интересно, что в 1960-х годах НАСА провело различные эксперименты, которые показали, что это приложение теоретически жизнеспособно.
Проблемы вращательной силы тяжести
Как вы можете себе представить, создание вращающегося космического корабля сопряжено с серьезными проблемами. Однако они относительно скромны по сравнению с другими предлагаемыми решениями. У вращающегося аппарата радиус вращения растет пропорционально квадрату периода обращения.Для увеличения периода вдвое требуется четырехкратное увеличение вращения.
Если вы хотите смоделировать гравитацию Земли, например, вам понадобится радиус 56 метров , если период обращения составляет 15 секунд . Для периода 30 секунд потребуется радиус 224 метра и так далее. Поскольку доставка материалов в космос обходится очень дорого, в настоящее время необходимо, чтобы конструкции были максимально уменьшены в массе. Конструкции кораблей также могут помочь свести к минимуму необходимый материал.
Линейное ускорение
В принципе, аналогично решениям для вращения, линейное ускорение может также имитировать гравитацию для экипажа. Если бы мы могли производить достаточно постоянное ускорение по прямой, экипаж можно было бы «прижать» к кораблю в противоположном направлении движения. Это «притяжение» приведет к тому, что любые незакрепленные предметы, например космонавтов, «упадут» на корпус. Фактически, это вызвало бы проявление гравитации в соответствии с законами Ньютона.
Это решение было бы весьма желательным, поскольку оно обеспечивало бы искусственную гравитацию, подобную земной.Кроме того, можно было бы сократить время полета вокруг Солнечной системы. Если бы корабль мог производить 1g средней линейной «силы тяжести» во время ускорения и замедления, он мог бы достичь Марса за несколько дней.
Магнетизм
Диамагнетизм может быть еще одним потенциальным решением для создания искусственной гравитации. Удивительно, но исследователям удалось левитировать мышей с помощью мощных магнитных полей. Их эксперименты смогли смоделировать около 1 грамма силы тяжести Земли, что довольно круто.Однако для таких магнитов требуется очень дорогая криогенная техника, чтобы они оставались сверхпроводящими, не говоря уже о необходимой мощности.
Для таких магнитов требуется очень дорогая криогенная техника, чтобы поддерживать их сверхпроводимость, не говоря уже о необходимой мощности.
Долгосрочное воздействие этой технологии на живые организмы не изучалось и неясно. Этот подход также потребует избегать использования ферромагнитных или парамагнитных материалов вблизи полей.
Гипотетические генераторы гравитации
Искусственная гравитация обычно «дана» в научной фантастике.Обычно это проявляется в виде любой из вышеперечисленных форм технологии эфирной антигравитации или «парагравитации». В настоящее время не существует подтвержденных методов получения этого, кроме тех, которые включают использование массы или ускорения. Евгений Подклетнов, российский инженер, с 90-х годов утверждал, что он успешно создал устройство для создания гравитомагнитного поля. Однако это не было подтверждено третьими сторонами. Другая исследовательская группа, финансируемая Европейским космическим агентством, создала подобное устройство в 2006 году. Их результатам удалось создать только около 0.0001г . Однако это также не было воспроизведено.
Теория струн предсказывает, что гравитация и электромагнетизм могут быть объединены в скрытых измерениях. Это могло быть способом «создать» гравитацию в будущем. Также существует возможность существования «гравитонов». Манипуляции с этими, еще не открытыми частицами, также могут быть технологией будущего, если это правда.
Эта технология определенно находится в зачаточном состоянии, но открывает интересные перспективы для звездного будущего человечества.Если мы сможем решить эту загадку, наше будущее в галактике будет частично определено. Нам просто нужно решить другие вопросы, такие как выживание и движение, конечно, вы знаете небольшие неудобства. Возможно, при строительстве этих кораблей можно было бы использовать какую-то форму гигантских орбитальных трехмерных принтеров? Уму непостижимо.
Источники: livescience.com, popularmechanics.com
[Источник избранного изображения: NASA в The Commons через Wikimedia Creative Commons ]
СМОТРИ ТАКЖЕ: Вы можете создать собственный тракторный луч, бросающий вызов гравитации. Предложил способ создания и управления гравитацией
Вчера физическое сообщество было возбуждено слухами о том, что ученые, возможно, , наконец, обнаружили гравитационные волны – рябь в кривизне пространства-времени, предсказанную Эйнштейном 100 лет назад, – и что их наблюдения могут быть опубликованы в рецензируемом журнале рядом Вы скоро.
До сих пор наше понимание того, как гравитация влияет на Вселенную, ограничивалось наблюдениями за естественными гравитационными полями, создаваемыми далекими звездами и планетами. Фактически, гравитация – последняя из четырех фундаментальных сил, которые люди не поняли, как создавать и контролировать. Но теперь Андре Фюзфа, математик из Намюрского университета в Бельгии, опубликовал статью, в которой предлагается устройство, которое могло бы делать именно это, хотя и в крошечных дозах. И для этого не потребовалось бы никаких новых технологий.
Давайте проясним: здесь мы говорим о невероятно малых гравитационных полях, а не о типе «искусственной гравитации», которая используется в научной фантастике, чтобы заставить персонажей таких шоу, как Star Trek и Battlestar Galactica ходить, а не плыть, вокруг космического корабля. Пока что эта технология невозможна.
Но возможность создавать невероятно слабые гравитационные поля все равно была бы невероятно увлекательной с научной точки зрения, потому что это позволило бы физикам впервые активно изучать гравитацию и действительно проверить общую теорию относительности Эйнштейна.Это может даже привести к появлению новых технологий, таких как формы связи, основанные на гравитации, а не на электромагнитных волнах.
«Почему-то изучение гравитации – это созерцательная деятельность: физики ограничиваются изучением естественных, ранее существовавших источников гравитации», – пишет Фюзфа в своей статье. «Создание искусственных гравитационных полей, которые можно включать или выключать по желанию, – это вопрос, захваченный или оставленный научной фантастикой».
Теоретическое устройство, которое он предлагает, основано на больших сверхпроводящих электромагнитах, подобных тем, которые в настоящее время используются в Большом адронном коллайдере, для генерации хорошо контролируемых и очень сильных магнитных полей, которые позволят физикам наблюдать, как эти магнитные поля искривляют пространство-время.
Метод Фюзфа не был экспериментально протестирован, поэтому мы не можем пока слишком сильно волноваться по этому поводу, но он провел математические вычисления, лежащие в основе предлагаемого устройства, и, похоже, все сходится. Расчеты были опубликованы в журнале Physical Review D (вы можете прочитать полный PDF-файл без платного доступа на arXiv.org).
Хотя его утверждение звучит довольно странно, оно не так уж далеко от области вероятности. Он основан на так называемом принципе эквивалентности, который лежит в основе общей теории относительности Эйнштейна и гласит, что все типы массы и все типы энергии производят гравитационные поля и на них одинаково влияют.Это означает, что электромагнитные поля теоретически могут искривлять пространство-время, как планеты или солнце, но единственная проблема в том, что кривые, создаваемые чем-либо здесь, на Земле, настолько малы, что мы не можем их обнаружить.
Итак, Фюзфа показал, говоря математически, что, складывая большие сверхпроводящие электромагниты, мы сможем создать очень слабое гравитационное поле и что мы сможем обнаружить его с помощью высокочувствительных интерферометров. Эти интерферометры будут работать, в основном, наложив друг на друга гравитационные поля, чтобы физики могли получить информацию о них.
Большая проблема в том, что такое устройство IRL было бы невероятно дорогим и сложным в изготовлении. И это довольно большие вложения, требующие только математических доказательств. Но возможность манипулировать гравитацией так же, как мы манипулируем тремя другими фундаментальными силами – электромагнитными, а также сильными и слабыми ядерными силами – может быть достаточно большим призом, чтобы рискнуть.
«До сих пор такой научный прогресс был мечтой научной фантастики, но он может открыть множество новых приложений, например, в области телекоммуникаций с помощью гравитационных волн», – заявляет Намюрский университет.«Представьте, что вы звоните на другой конец света, не используя спутниковые или наземные ретрансляторы».
Искусственная гравитация освобождает от научной фантастики
Предоставлено: Университет Колорадо в Боулдере.Искусственная гравитация давно стала предметом научной фантастики. Представьте себе корабли в форме колес из таких фильмов, как «Космическая одиссея 2001 года» и «Марсианин», – воображаемые корабли, которые создают собственную гравитацию, вращаясь в космосе.
Сейчас команда из CU Boulder работает над тем, чтобы эти технологии стали реальностью.
Исследователи, возглавляемые аэрокосмическим инженером Торином Кларком, пока не могут имитировать эти голливудские творения. Но они придумывают новые способы разработки вращающихся систем, которые могли бы поместиться в помещении будущих космических станций и даже лунных баз. Астронавты могли заползать в эти комнаты всего на несколько часов в день, чтобы получить свои дневные дозы силы тяжести.Подумайте о спа-процедурах, но об эффектах невесомости.
Группа надеется, что ее работа однажды поможет сохранить здоровье космонавтов, когда они отправляются в космос, позволяя людям путешествовать дальше от Земли, чем когда-либо прежде, и дольше держаться подальше.
Но сначала команде Кларка нужно будет решить проблему, которая годами мучила сторонников искусственной гравитации: укачивание.
“Астронавты испытывают потерю костной массы, потерю мышечной массы, ухудшение состояния сердечно-сосудистой системы и многое другое в космосе.Сегодня существует ряд частичных контрмер для преодоления этих проблем, – сказал Кларк, доцент кафедры аэрокосмических инженерных наук Энн и Х. Дж. Смид. – Но искусственная гравитация – это здорово, потому что она может преодолеть все их сразу ».
Странное ощущение
Кларк сам проверяет это в комнате на территории кампуса, не намного больше обычного офиса.
Предоставлено: Университет Колорадо в Боулдере,
. Инженер ложится на металлическую платформу, которая выглядит как больничная каталка, часть машины, которую инженеры называют центрифугой с коротким радиусом.После быстрого обратного отсчета платформа начинает вращаться по комнате, сначала медленно, а затем все быстрее и быстрее.
Николас Дембичак, студент бакалавриата, изучающий аэрокосмическую инженерию и научный сотрудник лаборатории, наблюдает за успехами Кларка с монитора компьютера в соседней комнате.
«Сейчас вы идете со скоростью 15 оборотов в минуту», – объявляет он в микрофон.
Кларк, однако, не возражает. «Это весело, – говорит он.
Это также самое близкое из того, что ученые на Земле могут понять, как может работать искусственная гравитация в космосе.
Кларк объяснил, что угловая скорость, создаваемая центрифугой, толкает его ноги к основанию платформы – почти так, как если бы он стоял под собственным весом.
Но с этим видом гравитации есть проблема, знакомая каждому, кто посещал парк развлечений. Если Кларк повернет голову в любую сторону во время вращения, он испытает ощущение, известное как «иллюзия перекрестной связи» – нарушение работы внутреннего уха, из-за которого вы почувствуете, что кувыркаетесь.
«Это очень странное ощущение», – сказала Кэтрин Бретл, аспирантка лаборатории Кларка.
Студент Николас Дембичак наблюдает за успеваемостью Торина Кларка. Предоставлено: Боулдер, Торин Кларк.Настолько странно, что на протяжении десятилетий инженеры считали такой вид укачивания препятствием для искусственной гравитации.
У Кларка и Бретла были другие идеи.
Медленно
В серии недавних исследований пара и их коллеги намеревались выяснить, действительно ли тошнота является платой за госпитализацию по поводу искусственной гравитации.Другими словами, могут ли астронавты тренировать свое тело, чтобы выдерживать нагрузку, возникающую при вращении по кругу, как хомяки в колесе?
Команда начала с набора группы добровольцев и тестирования их на центрифуге в течение 10 сеансов.
Но, в отличие от большинства более ранних исследований, исследователи из Боулдера пошли медленно. Сначала они вращали своих подопытных со скоростью только один оборот в минуту и увеличивали скорость только после того, как каждый рекрут больше не испытывал иллюзию перекрестной связи.
«Я выступаю на конференции, и все говорят:« Она та, кто вертит людей и заставляет их болеть », – сказал Бретл. «Но мы стараемся избегать случаев укачивания, потому что вся цель нашего исследования – сделать это терпимым».
Персональный подход сработал. К концу 10-го сеанса все испытуемые комфортно вращались, не испытывая никаких иллюзий, со средней скоростью около 17 оборотов в минуту. Это намного быстрее, чем удалось достичь в любом предыдущем исследовании.Группа сообщила о своих результатах в июне в Journal of Vestibular Research.
В своих экспериментах Кларк и его коллеги вращали подопытных в сидячем положении, а затем просили их наклонить голову в сторону, чтобы посмотреть, испытали ли они иллюзию перекрестной связи. Предоставлено: Боулдер, Торин Кларк.Кларк говорит, что исследование убедительно доказывает, что искусственная гравитация может быть реальным вариантом для будущих космических путешествий.
«Насколько мы можем судить, практически любой может адаптироваться к этому стимулу», – сказал он.
В ходе продолжающегося исследования исследователи также увеличили количество тренировок до 50, обнаружив, что люди могут вращаться еще быстрее, если у них будет больше времени.
Но у них также есть намного больше вопросов, на которые нужно ответить, прежде чем вы сможете увидеть комнату с искусственной гравитацией, расположенную на вершине Международной космической станции: например, как долго длится эффект тренировки и сколько гравитации нужно будет компенсировать астронавту. потеря мышц и костей?
Бретл, однако, надеется, что исследование начнет убеждать ученых в том, что искусственная гравитация не только для летних блокбастеров.
«Смысл нашей работы в том, чтобы попытаться заставить больше людей думать, что, возможно, искусственная гравитация не такая уж безумная», – сказала она. «Может быть, у этого есть место за пределами научной фантастики».
Проверка ценности искусственной гравитации для здоровья космонавта
Дополнительная информация: Xavier Simón et al.Конфигурации системы искусственной гравитации на основе физиологических исследований устойчивости к спину, 2018 AIAA SPACE и Форум и выставка по астронавтике (2018). DOI: 10.2514 / 6.2018-5358 Предоставлено Колорадский университет в Боулдере
Ссылка : Искусственная гравитация освобождает от научной фантастики (2019, 3 июля) получено 30 мая 2021 г. с https: // физ.org / новости / 2019-07-искусственная-гравитация-свободная-научная-фантастика.html
Этот документ защищен авторским правом. За исключением честных сделок с целью частного изучения или исследования, никакие часть может быть воспроизведена без письменного разрешения. Контент предоставляется только в информационных целях.
Почему у нас нет искусственной гравитации в космосе?
Экспедиция НАСА / ЕКА / МКС 37Поместите человека в космос, подальше от гравитационных связей на поверхности Земли, и он испытает невесомость. Хотя все массы во Вселенной по-прежнему притягивают их гравитационно, они в равной степени притягивают любой космический корабль, в котором вы находитесь, и вы парите. Однако в телешоу и фильмах, таких как Star Trek , Star Wars , Battlestar Galactica и многих других, вы всегда видите членов экипажа, стабильно стоящих на «полу» звездолета, независимо от каких-либо других условий.Для этого потребуется физически возможная искусственная гравитация, но это сложная задача для законов науки в том виде, в каком мы их знаем сейчас.
Ян Тиджс / CBS © 2017 CBS InteractiveДля гравитации большой урок Эйнштейна – принцип эквивалентности: равномерно ускоряющаяся система отсчета неотличима от гравитационного поля.Если бы вы были на ракетном корабле и не могли видеть Вселенную за пределами вашего окружения, у вас не было бы возможности узнать, что происходит: чувствуете ли вы силу тяжести, направленную вниз, или силу, направленную вниз. потому что ваша ракета ускоряется в определенном направлении? Именно эта идея привела к созданию общей теории относительности, и более чем 100 лет спустя это наиболее правильное описание гравитации и ускорения, о котором мы знаем.
Пользователь Wikimedia Commons Маркус Пессел, обработано Пброкс13Есть еще один прием, который мы можем использовать, если захотим: мы можем заставить космический корабль вращаться. Вместо линейного ускорения (например, тяги ракеты) у вас может быть центростремительное ускорение, когда человек на борту будет чувствовать, что внешний корпус космического корабля толкает его к центру. Это было классно использовано в 2001 году: Космическая одиссея, и, если бы ваш космический корабль был достаточно большим, он был бы неотличим от гравитационной силы.
Но это абсолютно все. Эти три типа ускорения – гравитационное, линейное и вращательное – единственные, которые у нас есть, которые будут иметь эффект силы тяжести. Это большая, большая проблема на борту космического корабля.
НАСАПочему? Потому что, если вы хотите отправиться в другую звездную систему, вам придется ускорить свой корабль, чтобы добраться туда… и вам придется замедлить свой корабль, как только вы прибудете. Если вы не сможете защитить себя от этих ускорений, вас ждет катастрофа. Например, для ускорения до полного импульса в «Звездном пути», составляющей несколько процентов от скорости света, вы получите более 4000 g с ускорения, даже если вам понадобится час, чтобы набрать скорость. Это более чем в 100 раз больше ускорения, необходимого для предотвращения кровотока по вашему телу: плохая ситуация, как бы вы ее ни крутили.
НАСАБолее того, если вы не хотите быть фактически невесомым во время долгого путешествия – подвергая себя ужасному биологическому износу, например, потере костной массы и космической слепоте, – вам понадобится постоянное воздействие на ваше тело некоторой силы.Для других сил это легко выполнимо. В электромагнетизме, например, вы можете поместить экипаж внутри проводящей оболочки, и любые внешние электрические поля будут нейтрализованы. Затем вы можете установить внутри две параллельные пластины и иметь постоянное электрическое поле, заставляющее заряды «толкаться» в определенном направлении.
Если бы только гравитация работала так же.
Пользователь Wikimedia Commons Папа, ноябрьНе существует гравитационного проводника и нет способа защитить себя от гравитационной силы. Также невозможно создать однородное гравитационное поле в области пространства, например, между двумя пластинами. Причина? Потому что в отличие от электрической силы, которая создается положительными и отрицательными зарядами, существует только один тип гравитационного «заряда» – масса и энергия.Гравитационная сила всегда притягательна, и выхода из этого просто нет. Вместо этого вы должны сделать все, что в ваших силах, с доступными вам тремя типами ускорения – гравитационным, линейным и вращательным.
Проект современного физического образования (CPEP), U.S. Министерство энергетики / NSF / LBNLЕдинственный способ создать искусственную гравитацию, как для защиты вас от эффектов ускорения вашего корабля, так и для обеспечения постоянного тяги «вниз» без необходимости его ускорения, – это если вы каким-то образом обнаружите тип отрицательного гравитационная масса. Все частицы и античастицы, которые мы когда-либо открывали, имеют положительную массу, но это инерционные массы, или масса, о которой вы говорите, когда ускоряете или создаете частицу.(То есть m в F = m a и m в E = mc 2 .) Мы продемонстрировали, что инерционная масса и гравитационная масса являются то же самое для всех известных нам частиц, но мы никогда не тестировали это достаточно для антивещества или античастиц.
Максимилиан Брис / ЦЕРНСейчас над этим работают эксперименты! Эксперимент ALPHA в ЦЕРНе создал антиводород: стабильную форму нейтрального антивещества и работает над тем, чтобы изолировать его от всех других частиц на очень низких скоростях. Если он станет достаточно чувствительным, мы сможем измерить, как он падает в гравитационном поле. Если он падает, как обычная материя, тогда он имеет положительную гравитационную массу, и мы не можем использовать ее для создания гравитационного проводника.Но если он падает в гравитационном поле, это все меняет. С единственным экспериментальным результатом искусственная гравитация внезапно стала бы физической возможностью.
Рольф Ландуа / ЦЕРНЕсли антивещество имеет отрицательную гравитационную массу, то, установив потолок из антивещества и пол из нормальной материи, мы могли бы создать искусственное гравитационное поле, которое всегда тянуло вас вниз.Построив гравитационно-проводящую оболочку в качестве корпуса нашего космического корабля, каждый внутри будет защищен от сил сверхбыстрого ускорения, которые в противном случае оказались бы смертельными. И что наиболее впечатляюще, люди в космосе больше не будут страдать от негативных физиологических эффектов, от нарушения равновесия до атрофии сердечной мышцы, которые в настоящее время преследуют современных космонавтов. Но пока мы не обнаружим частицу (или набор частиц) с отрицательной гравитационной массой, искусственная гравитация будет возникать только за счет ускорения, независимо от того, насколько мы умны.
Искусственная гравитация – одна из 28 «Трекнологий», представленных в новой книге Итана Сигела «Трекнология: наука о звездном пути от трикодера до варп-двигателя», которая теперь доступна повсюду, где продаются книги.
Реальная искусственная гравитация для космического корабля SpaceX
Несмотря на множество проблем, с которыми мы сталкиваемся сегодня в мире, это по-прежнему захватывающее время для жизни! Пока мы говорим, планировщики миссий и инженеры разрабатывают концепции, которые вскоре позволят астронавтам отправиться в путешествие за пределы низкой околоземной орбиты (НОО), впервые почти за пятьдесят лет.Помимо возвращения на Луну, мы также смотрим дальше на Марс и другие далекие места в Солнечной системе.
Это создает ряд проблем, не последней из которых являются последствия длительного воздействия радиации и микрогравитации. И хотя существует множество жизнеспособных вариантов защиты экипажей от радиации, гравитация остается камнем преткновения. Чтобы решить эту проблему, Youtuber smallstars предложил концепцию, которую он назвал Gravity Link Starship (GLS), разновидностью SpaceX Starship , которая сможет создавать собственную искусственную гравитацию.
Идея была частично навеяна научной фантастикой. В зависимости от того, насколько реалистичной является франшиза, звездолеты будут создавать собственную гравитацию с помощью специального устройства или посредством вращающихся секций. В то время как первая концепция очень похожа на гипердвигатель (т.е. использует физику, которая на данный момент является либо полностью вымышленной, либо теоретической), последняя вполне осуществима.
Эта концепция восходит к более чем столетию, с первым зарегистрированным примером, предоставленным Константином Циолковским (1857-1935), одним из «отцов-основателей» ракетной техники и воздухоплавания.В 1903 году он опубликовал исследование под названием «Исследование космических ракетных устройств», в котором предложил использовать силу вращения для создания искусственной гравитации в космосе.
С тех пор было предложено множество вариаций этой идеи для космических станций и мест обитания, таких как колесо фон Брауна, цилиндр О’Нила и Стэнфордский тор. Некоторые концепции даже рассматриваются для разработки, например, космическая станция НАСА Nautilus-X (которая будет использовать вращающийся тор для создания искусственной гравитации) или предложение Gateway Foundation о коммерческой космической станции.
После проведения некоторых исследований центростремительной силы, smallstars пришли к идее создания GLS. Как он объясняет в своем видео (показанном выше), GLS – это, по сути, «корабль-ступица» (например, ступица колеса), где отсек полезной нагрузки заполнен фермой, которая разворачивается и разворачивается роботом, таким образом, «служа спицы колеса ». Он будет расположен между двумя пассажирскими космическими кораблями и соединится с ними во время 6-месячного путешествия на Марс.
После соединения пассажирские корабли будут разворачиваться, чтобы переориентировать себя и запускать двигатели, чтобы передать импульс колесу.Как только будет создана скорость, достаточная для имитации земной гравитации (9,8 м / с ² , или 1 г ), пассажирские корабли снова переориентируются, чтобы повернуться лицом внутрь к кораблю-хабу.
Художественный концепт звездолета и сверхтяжелой ракеты-носителя, выходящих на околоземную орбиту. Предоставлено: SpaceX. В оставшуюся часть путешествия пассажиры пассажирских судов будут испытывать ощущение, будто их тянет вниз из-за центростремительной силы, создаваемой вращением колеса.Как smallstars очерчивает систему:
«Концепция Gravity Link Starship обеспечивает вращающуюся гравитацию, которая повторно использует главные двигатели, отбирает оставшееся топливо и позволяет избежать непрактичной конструкции пространства и выходов в открытый космос. GLS – это в основном корабль-ступица, как ступица колеса. Вместо людей и груза отсек полезной нагрузки GLS заполнен фермой, которая может автоматически раскладываться и фиксироваться на месте, выступая в качестве спиц колеса ».
В настоящее время многое известно о долгосрочных эффектах воздействия микрогравитации, во многом благодаря исследованиям, проведенным астронавтами на борту Международной космической станции (МКС).К ним относятся потеря мышечной массы, потеря плотности костной ткани, снижение функции органов, зрения, изменения силы сердечно-сосудистой системы и даже генетические изменения.
Это то, что астронавт Скотт Келли может подтвердить! Проведя год в космосе в рамках исследования близнецов НАСА, он обнаружил, что приспособление к жизни на Земле мучительно (как подробно описано в его книге Endurance ). Чтобы предотвратить такие последствия для здоровья еще до того, как экипажи достигнут таких пунктов назначения в дальнем космосе, как Луна или Марс (где долгосрочные последствия низкого – г все еще неизвестны), потребуются стратегии смягчения последствий.
Звездолет из нержавеющей стали на Луне. Предоставлено: SpaceXВ дополнение к детализации системы, smallstars также выполнила необходимые расчеты для определения структуры фермы и необходимой скорости для имитации земной гравитации. Используя SpinCalculator, он определил, что скорость вращения 31 м / с будет работать для системы, имеющей радиус около 100 метров (97,99 м, или ~ 321,5 футов) в радиусе, обеспечивая ощущение 1 г и примерно 3 оборота в минуту.
В настоящее время smallstars во второй итерации этого предложения, которое включало обновленные расчеты вращения, новую форму фермы и введение тросов для усиления прочности фермы на растяжение. В ближайшем будущем он планирует выпустить третью версию, в которой будут представлены расчеты нагрузок и анимация развертывания и функции фермы.
Тем, кто заинтересован, предлагается подписаться на его канал Youtube для получения обновлений.А пока неизвестно, заинтересуется ли SpaceX этой концепцией. Кто знает? Может быть, у Маска и его людей есть собственные идеи, и скоро мы сможем провести небольшое сравнение и сопоставление!
Дополнительная информация: Youtube
Как это:
Нравится Загрузка …
Как мы можем создать искусственную гравитацию в космосе? | Майкл ЛаНаса | Тридцать секунд до науки
Один из первых вопросов: «Зачем нам нужна искусственная гравитация в космосе?» Конечно, постоянное плавание приносит удовольствие.Без необходимости поддерживать вес тела мышцы и суставы не подвергаются такому стрессу.
Тем не менее, у жизни в невесомости есть несколько серьезных недостатков. Одна из самых серьезных проблем – потеря костей и мышц. Без нагрузки от земной гравитации и без необходимости возить вас по городу они начинают разрушаться.
Астронавты также имеют дело с ослабленной иммунной системой, проблемами с балансом и обезвоживанием. Звучит весело, не правда ли?
Теперь, когда веселье было высосано из шлюза, как Чужой в конце… ну, Чужой , мы можем обсудить решение.
Помните те карнавальные аттракционы, когда вращающийся цилиндр прижимает вас к стене? Центростремительная сила – это магическая сила, которая удерживает вас у этой стены.
Наука, лежащая в основе этого, является основой того, как мы можем создать искусственную гравитацию в космосе. Объяснение TLDR от Исаака Ньютона для вас:
«Сила, под действием которой тела притягиваются или толкаются, или каким-либо образом стремятся к точке как к центру».
Если мы приложим ту же силу к цилиндру в космосе, мы сможем создать искусственную гравитацию.Стены корабля превратились бы в пол, и точно так же не было бы потери костей и мышц. 2001: Космическая одиссея прекрасно демонстрирует, как это могло бы выглядеть.
Так почему мы еще этого не делаем?
Вращающийся космический корабль требует серьезного планирования, если мы хотим сделать его обитаемым. Есть два подхода, о которых стоит поговорить.
The Econo Size
В то время как МКС размером примерно с футбольное поле, жилые районы намного меньше. Для такого размера скорость вращения должна быть высокой, чтобы создать искусственную гравитацию.
Проблема? Меньшая секция прядения означает меньший радиус изменения. Любой, кто находится внутри, почувствует силу давления на свои ноги, отличную от их головы. Не думаю, что это сюрприз, что такое ощущение может сильно дезориентировать.
Размер люкс
Что, если мы увеличим масштаб? Цилиндр гораздо большего размера мог вращаться с меньшей скоростью, чтобы создать тот же эффект. Бегать по кругу внутри было бы здорово по сравнению с меньшим кораблем размером с SF-студию.
Проблема? Размер и стоимость производства были бы астрономическими.Строительство чего-то такого большого означало бы отправку частей с Земли. Вариантом было бы построить его в космосе. Оба варианта возможны, но бюджетные требования делают эти варианты недоступными.
Мы установили, что создание искусственной гравитации – это не научная фантастика. Есть много интересных достижений, которые мы так близки к тому, чтобы увидеть их на практике. Это то, что меня особенно интригует, и не только потому, что я люблю все научно-фантастическое кино.
Это увлечение распространяется и на многих исследователей.Команда из Университета Колорадо в Боулдере работает над решением; правда, немного меньше. Их цель – создать устройство, которое давало бы космонавтам «дневную дозу» гравитации в космосе. Это могло бы побороть неприятные побочные эффекты невесомости.
Конечно, я хотел бы, чтобы астронавты наслаждались более расслабляющим днем на МКС. Но я также думаю о будущем коммерческих космических путешествий.
Во время моего первого космического круиза мне понадобятся парящие «дай пять».