Dlaczego potrzebujemy sztucznej grawitacji do długich misji kosmicznych?

Wyobraź sobie, że jesteś w pojeździe – lub innej maszynie – wirując tak szybko, że siła dociska Twoje ciało do ściany lub siedzenia. Gdy kręcisz się coraz szybciej, siła przyciskająca cię do ściany rośnie (i odwrotnie, maleje, gdy rotacja zwalnia).

Jeśli jesteś jak większość ludzi, twoje najbardziej dramatyczne doświadczenie z tego typu wirującą siłą pochodzi prawdopodobnie z przejażdżki w wesołym miasteczku. Ale garstka ludzi, w tym astronauci i piloci wojskowi, doświadcza tego samego zjawiska w wirówce, maszynie, która obraca się, aby wytworzyć te duże przeciążenia i sprawdzić przyszłych pilotów, którzy w przyszłości będą doświadczać tych przeciążeń na pokładzie samolotów podczas zakrętów z dużą prędkością oraz podczas startów rakiet kosmicznych.

Co to jest sztuczna grawitacja?

W bardzo realnym sensie ten rodzaj rotacji wytwarza grawitację – a dokładniej sztuczną grawitację. Zapewnia ciężar twojemu ciału – ciężar, którego kości i mięśnie nie są w stanie odróżnić od ciężaru, który zapewnia Ziemia lub inna planeta ze względu na swoją masę.

W rezultacie od dziesięcioleci pisarze science fiction wyobrażali sobie obracające się statki kosmiczne, które tworzą sztuczną grawitację dla astronautów podczas najdłuższych faz misji kosmicznych.

Dwa przykłady takiej sztucznej grawitacji w science fiction to film “Marsjanin” z 2015 roku i “2001: Odyseja kosmiczna” z 1968 roku. “Marsjanin” zawiera międzyplanetarny statek Hermes z dużą sekcją w kształcie koła, która obraca się podczas podróży między Ziemią a Marsem. Gdy kamera przybliża się, można zauważyć, że “góra” dla astronautów wewnątrz Hermesa jest zawsze skierowana w stronę środka koła. Stacja Kosmiczna V w “2001: Odyseja Kosmiczna” to wirująca stacja generująca sztuczną grawitację równą grawitacji Księżyca.

Oprócz zwykłego komfortu istnieją dobre powody, dla których potrzebujemy sztucznej grawitacji podczas dalekosiężnych misji kosmicznych. Po pierwsze, w stanie nieważkości nasze ciała zmieniają się w sposób, który może być szkodliwy, gdy astronauci dotrą do celu – na przykład na Marsa – lub, gdy wrócą na Ziemię. Kości tracą zawartość minerałów (miękną, stają się podatne na złamania);mięśnie zanikają (kurczą się i osłabiają); płyny przemieszczają się w kierunku głowy, a także są wydalane z organizmu, powodując zmiany w układzie sercowo-naczyniowym i płucach; a w ostatnich latach badacze medycyny kosmicznej odkryli, że u niektórych astronautów może wystąpić trwałe uszkodzenie wzroku. Dodajmy do tego badania sugerujące, że grawitacja może być wymagana, aby kobiety mogły przechodzić ciąże w normalny sposób. Wydaje się prawie oczywiste, że jakikolwiek statek kosmiczny przewożący ludzi wokół Układu Słonecznego powinien się obracać lub mieć jakąś część statku, która to robi.

Badanie sztucznej grawitacji

Czy NASA i inni badają tę możliwość?

Odpowiedź brzmi tak. Od lat sześćdziesiątych XX wieku naukowcy z NASA rozważają perspektywę sztucznej grawitacji poprzez rotację. Jednak wysiłek, fundusze i ogólny entuzjazm rosły i słabły przez dziesięciolecia. W latach 60. XX wieku nastąpił gwałtowny wzrost badań, kiedy NASA pracowała nad wysłaniem człowieka na Księżyc (budżet NASA w tamtym czasie wynosił prawie 5% budżetu całego rządu federalnego – 10 razy więcej niż obecnie).

Chociaż NASA nie kładła nacisku na badania nad sztuczną grawitacją w ciągu ostatniego półwiecza, naukowcy zarówno z agencji kosmicznych, jak i spoza nich badają szereg sytuacji. Myszy wirujące w małej wirówce na pokładzie Międzynarodowej Stacji Kosmicznej przetrwały bez problemu, a ludzie przebywający na Ziemi próbują przystosować się do warunków sztucznej grawitacji poprzez wirówki przeciążeniowe.

(Kjetil Wormnes/ESA)

Dlaczego nie mamy obrotowych statków kosmicznych?

Ale jeśli potrzeba sztucznej grawitacji jest tak wyraźna, po co zawracać sobie głowę badaniami w kosmosie lub na Ziemi? Dlaczego inżynierowie nie zabiorą się po prostu do pracy przy projektowaniu wirujących statków, takich jak Hermes?

Odpowiedź jest taka, że ​​sztuczna grawitacja wymaga kompromisu, ponieważ wszystko to powoduje problemy. Podobnie jak w przypadku karuzeli w wesołym miasteczku, poruszanie głową podczas szybkiego obracania powoduje nudności. Wirowanie wpływa również na płyn w uchu wewnętrznym i na inne części ciała, którymi poruszasz, gdy znajdujesz się w wirującym środowisku.

Nudności, dezorientacja i problemy z poruszaniem pogłębiają się, im szybciej się obracasz. Ale ilość sztucznej grawitacji, jaką można wytworzyć, zależy zarówno od prędkości obrotowych, jak i od wielkości tego, co się obraca.

Aby doświadczyć określonej ilości grawitacji – na przykład połowy wartości, którą odczuwasz na Ziemi – długość promienia obrotu (odległość od Ciebie stojącego na podłodze do środka tego, co się kręci) określa, jak szybko trzeba się kręcić. Zbuduj statek w kształcie koła o promieniu 225 metrów, a uzyskasz pełną ziemską grawitację (znaną jako 1G) obracającą się z prędkością zaledwie 1 obr./min. Jest to na tyle wolno, że naukowcy są pewni, że nikt nie doświadczyłby mdłości ani dezorientacji przy takiej prędkości.

Poza lekko zakrzywioną podłogą, rzeczy na pokładzie takiego statku wydawałyby się całkiem normalne. Jednak zbudowanie i wystrzelenie tak ogromnej konstrukcji w kosmos wiązałoby się z wieloma wyzwaniami inżynieryjnymi.

Oznacza to, że NASA i wszelkie inne agencje lub organizacje kosmiczne, które mogą w przyszłości rozsyłać ludzi po Układzie Słonecznym, muszą zadowolić się mniejszą grawitacją, szybszym obrotem (więcej obrotów na minutę) – lub jednym i drugim. Ponieważ na Księżycu, gdzie grawitacja powierzchniowa jest około 6 razy słabsza niż na Ziemi, nie ma laboratorium, które byłoby doskonałym miejscem do badania skutków niskiej grawitacji w przeciwieństwie do nieważkości, po prostu nie ma wystarczających danych, aby wiedzieć, jak ludzie mogą przygotować się do długoterminowych misji kosmicznych lub kolonii kosmicznych. Takie dane są potrzebne, podobnie jak dane na temat tego, ile rotacji ludzie mogą rozsądnie tolerować, i to jest uzasadnienie dla trwających badań nad sztuczną grawitacją.

 

Źródła: David Warmflash, M.D.  / howstuffworks

The Human Body in Space

Fluid Shifts

Challenges to the central nervous system during human spaceflight missions to Mars

Male mice, caged in the International Space Station for 35 days, sire healthy offspring

Can You Have a Baby on Mars?

Ashton Graybiel Spatial Orientation Laboratory

DLR Short-Arm Cen­trifuge (Mod­ule 1 at :en­vi­hab)

Space Settlement Population Rotation Tolerance

Zdjęcia: Pixabay

Subscribe
Powiadom o
guest
0 komentarzy
Inline Feedbacks
View all comments
0
Would love your thoughts, please comment.x
()
x