Почему космонавтам недоступна искусственная гравитация?
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 = mc 2 ). 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.
Искусственная гравитация: от «Космической одиссеи» Кубрика до античастицы
Жизнь в космосе вредна для людей — и не только из-за высоких доз радиации, от которых астронавтов защищают скафандры и корпуса летательных аппаратов. Астронавты на МКС с трудом улыбаются в камеру и с еще большим трудом пытаются встать. Из-за микрогравитации на МКС астронавтам приходится долго адаптироваться к условиям на Земле: вплоть до того, что некоторые заново учатся ходить. Полеты на Марс в будущем же отразятся на вестибулярном аппарате еще сильнее. Основное решение этой проблемы — искусственная гравитация, концепции создания которых предлагаются учеными с середины прошлого века. «Хайтек» рассказывает, насколько осуществима идея создания космических станций и кораблей с искусственной гравитацией и какие проекты существуют на данный момент.
Читайте «Хайтек» в
Проблемы с вестибулярным аппаратом — не единственное последствие длительного пребывания в условиях микрогравитации. Астронавты, которые проводят на МКС больше месяца, часто страдают от нарушения сна, замедления работы сердечно-сосудистой системы и метеоризма.
Недавно НАСА завершило эксперимент, в ходе которого ученые сравнили геном братьев-близнецов: один из них провел на МКС почти год, другой совершал лишь кратковременные полеты и большую часть времени находился на Земле. Долговременное пребывание в космосе привело к тому, что 7% ДНК первого астронавта изменились навсегда — речь идет о генах, связанных с иммунной системой, формированием костной ткани, кислородным голоданием и избыточным количеством углекислого газа в организме.
В условиях микрогравитации человек будет вынужден бездействовать: речь идет не о пребывании астронавтов на МКС, а о полетах в глубокий космос. Чтобы выяснить, как такой режим повлияет на здоровье астронавтов, Европейское космическое агентство (ESA) на 21 день положило 14 добровольцев в наклоненную в сторону головы кровать. Эксперимент, который позволит на практике проверить новейшие методы борьбы с невесомостью — такие как улучшенные режимы физических упражнений и питания — намерены совместно провести НАСА и Роскосмос.
Но в случае, если люди решат отправить корабли к Марсу или Венере, понадобятся более экстремальные решения — искусственная гравитация.
Как гравитация может существовать в космосе
Прежде всего стоит понять, что гравитация существует везде — в некоторых местах она слабее, в других сильнее. И космическое пространство не является исключением.
МКС и спутники находятся под постоянным влиянием гравитации: если объект находится на орбите, он, говоря упрощенно, падает вокруг Земли. Подобный эффект возникает, если бросить мяч вперед — прежде чем упасть на землю, он немного пролетит в направлении броска. Если бросить мяч сильнее, он пролетит дальше. Если вы супермен, а мяч — ракетный двигатель, он не упадет на землю, а облетит вокруг нее и продолжит вращаться, постепенно выходя на орбиту.
Микрогравитация предполагает, что люди внутри корабля не находятся в воздухе — они падают с корабля, а тот, в свою очередь, падает вокруг Земли.
Благодаря тому, что гравитация является силой притяжения между двумя массами, мы остаемся на поверхности Земли, когда идем по ней, а не уплываем в небо. В этом случае вся масса Земли притягивает массу наших тел к своему центру.
Когда корабли выходят на орбиту, они свободно плавают в космическом пространстве. Они по-прежнему подвержены гравитационному притяжению Земли, но корабль и находящиеся в нем предметы или пассажиры подвержены гравитации одинаково. Существующие аппараты недостаточно массивны, чтобы создать заметное притяжение, поэтому люди и предметы в нем не стоят на полу, а «плавают» в воздухе.
Как создать искусственную гравитацию
Искусственной гравитации как таковой не существует, чтобы ее создать, человеку необходимо узнать всё об естественной гравитации. В научной фантастике существует концепция имитации гравитации: она позволяет экипажу космических кораблей ходить по палубе, а предметам стоять на ней.
В теории существует два способа создать имитацию гравитации, и ни один из них пока не был использован в реальной жизни. Первый — это использование центростремительной силы для моделирования силы тяжести. Корабль или станция при этом должны представлять собой колесоподобную конструкцию, состоящую из нескольких постоянно вращающихся сегментов.
Согласно этой концепции, центростремительное ускорение аппарата, толкающее модули к центру, создаст подобие гравитации или условия, аналогичные земным. Эта концепция была продемонстрирована в «Космической одиссее 2001 года» Стенли Кубрика и в фильме «Интерстеллар» Кристофера Нолана.
Автором этого проекта считается немецкий ученый-ракетчик и инженер Вернер фон Браун, который руководил разработкой ракеты «Сатурн-5», доставившей на Луну экипаж «Аполлон-11» и еще несколько пилотируемых аппаратов.
Будучи директором Центра космических полетов имени Маршалла НАСА, фон Браун популяризировал идею российского ученого Константина Циолковского о создании тороидальной космической станции на основе конструкции со ступицами, напоминающей велосипедное колесо. Если колесо вращается в пространстве, то инерция и центробежная сила могут создать своего рода искусственную гравитацию, которая тянет предметы к внешней окружности колеса. Это позволит людям и роботам ходить по полу, как на Земле, а не плавать в воздухе, как на МКС.
Однако у этого метода есть существенные недостатки: чем меньше космический корабль, тем быстрее он должен вращаться — это приведет к возникновению так называемой силы Корнолиса, при которой на точки, расположенные дальше от центра, сила тяжести будет влиять сильнее, чем на более близкие к нему. Другими словами, сила тяжести будет действовать на голову астронавтов сильнее, чем на ноги, что вряд ли им понравится.
Другой метод создания имитации гравитации более практичен, но также крайне дорог — речь идет о методе ускорения. Если корабль на определенном отрезке пути сначала будет разгоняться, а затем развернется и начнет тормозить, то возникнет эффект искусственной гравитации.
Для реализации этого метода потребуются колоссальные запасы топлива — дело в том, что двигатели должны работать почти непрерывно за исключением короткого перерыва в середине пути — во время разворота корабля.
Реальные примеры
Несмотря на высокую стоимость запуска аппаратов с имитацией гравитации, компании по всему миру пытаются построить такие корабли и станции.
Реализовать концепцию Фон Брауна пытается компания Gateway foundation — исследовательский фонд, который планирует построить вращающуюся станцию на орбите Земли. Предполагается, что по окружности колеса будут располагаться капсулы, которые смогут покупать государственные и частные аэрокосмические компании для проведения исследований. Некоторые капсулы будут проданы в качестве вилл самым богатым жителям Земли, а другие будут использоваться как отели для космических туристов.
Стыковочный отсек будет находится в центре станции — оттуда людей и грузы будут доставлять на лифтах в капсулы.
Способ привлечения денег компания выбрала неоднозначный: она намерена организовать лотерею, победители которой помимо денежного вознаграждения получат возможность бесплатно полететь на станцию и провести ночь в ее капсуле. Когда аппарат будет выведен на орбиту, в компании не раскрывают.
Над созданием аппарата с искусственной гравитацией для проведения долговременных космических исследований работала и НАСА. В 2011 году космическое агентство представило концепцию вращающегося космического корабля с надувными модулями Nautilus-X, который должен был снизить влияние микрогравитации на ученых, находящихся на его борту.
Вывод
Пока самый вероятный способ получить имитацию гравитации, которая защитит корабль от последствий ускорения и даст постоянное притяжение без необходимости постоянно использовать двигатели — это обнаружить частицу с отрицательной массой. Все частицы и античастицы, которые ученые когда-либо обнаружили, имеют положительную массу. Известно, что отричательная масса и гравитационная масса равны друг другу, однако пока исследователям не удавалось продемонстрировать это знание на практике.
Исследователи из эксперимента ALPHA в ЦЕРНе уже создали антиводород — стабильную форму нейтрального антивещества — и работает над его изоляцией от всех других частиц на очень низких скоростях. Если ученым удастся это сделать, вероятно, в ближайшее время искусственная гравитация станет реальнее, чем сейчас.
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.
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.
Возможно ли в теории создать искусственную гравитацию в космосе? Например, на МКС.?
Собственно, есть как минимум два способа создания «искусственной гравитации» на космическом корабле.
За счет центробежной силы (силы, которую испытывает объект в неинерционной вращающейся системе отсчета). Т.е. как описал Константин, раскрутить корабль или станцию вокруг продольной оси и чем дальше от оси вращения, тем больше будет ускорение и соответственно больше ощущаемая сила. Проблема здесь в том, что это потребует или довольно быстрого вращения или весьма приличных поперечных размеров объекта (или того и другого). К тому же при наличии, скажем, окон во вращающейся части, подобное вращение может вызывать тошноту и рвоту. К тому же в разных частях вращающегося корабля/станции создаваемая «гравитация» будет разной.
За счет силы инерции (силы, которую испытывает объект в неинерционной системе, движущейся прямолинейно с ускорениеем). Ну примерно как в движущемся вверх лифте вас придавливает к полу, так в движущемся вперед с ускорением корабле вас придавит к задней его части. Если ускорение корабля 9.8 м/с2, то ощущения будут идентичны гравитационному притяжению на Земле. Тут проблема, во-первых, в том, что для реализации постоянного ускорения требуется постоянный расход топлива, тем более значительный, чем больше требуется ускорение, а во-вторых, что подобный метод не позволяет поддерживать «гравитацию», скажем, находясь на орбите, и подходит только для межпланетных перелетов.
Привет от Циолковского: как искусственная гравитация осваивает космос
Журналист Лайфа Александр Березин объясняет, почему обычно скупой на космические новинки Роскосмос первым в мире организует искусственную гравитацию на орбите и что он рассчитывает от неё получить.
Сколько гравитации человеку нужно?
Наш вид на удивление хорошо переносит самый безумный набор условий. Мы выживаем при давлении в 70 атмосфер, после минуты в глубоком вакууме или полугода космической радиации вне магнитосферы Земли и всё это без видимого ущерба для здоровья. Однако у человека в космосе есть противник куда более страшный, чем космическая радиация, — безделье. А точнее, отсутствие приличной физической нагрузки.
Каждый из нас знает, что посредственный бегун загонит лучшую в мире лошадь. Но из-за того что современная цивилизация не нагружает нас физически, большинство жителей стран типа России не могут загнать не то что лошадь, но и обычную собаку. То же самое, но в гораздо больших масштабах случается с человеком, долго живущим в невесомости. Формально на МКС гравитация всего на 11 процентов слабее земной, однако, поскольку космонавты там постоянно «падают вперёд» со скоростью полёта станции, почувствовать её невозможно.
Это ведёт к огромному количеству неприятных последствий. Мышцы с неполной загрузки цивилизованного человека переходят на вообще нулевую. Они атрофируются, из-за этого кислорода организмом потребляется куда меньше нормы. Костный мозг, вырабатывающий гемоглобин для переноса кислорода в крови, резко «снижает план». Кальций в невесомости усиленно вымывается из организма, что негативно влияет на прочность костей, способствуют этому и нарушения фосфорного обмена в костях. Ну а результат — космическая остеопения, означающая потерю одного процента массы костей за месяц невесомости.
Предположительно после потери 20 процентов человеческий скелет станет малопригоден к работе в земных условиях. Наконец, пониженная гравитация со временем ведёт к деградации зрения — его правильная работа ведь тоже зависит от получения регулярных нагрузок, которых в космосе мало. Можно поставить на МКС беговую дорожку для ног, но глазное яблоко на неё не загонишь. Много ли толку будет от потенциального покорителя Марса, если он не будет видеть, его скелет не вынесет нагрузок, а мышцы не позволят вылезти из космического корабля?
Запугиваете?
Фото: © Flickr / NASA Goddard Space Flight Center
Звезд а КЭЦ
Константин Циолковский задумался над эти вопросом ещё 113 лет назад и уже тогда пришёл к выводу, что на будущих космических кораблях нужна искусственная гравитация. Самым простым способом её создания он полагал вращающийся космический корабль, в озможно, о круг л ой формы. За счёт вращения люди в нём будут избавлены от невесомости. Известный роман советского фантаста Александра Беляева описывал целый орбитальный городок, созданный по такой схеме («Звезда КЭЦ», по инициалам Циолковского).
Такой корабль Королёв начал проектировать для Луны и Марса ещё в 1963 году. Чтобы уменьшить его р азмеры, он предложил использовать противовес — систем у связанных между собой тел, вращающихся в космосе. Для орбитального корабля противовесом должна была стать пустая последняя ступень ракеты-носителя, которую сегодня просто выбрасывают. Однако из-за известного отказа советского руководства от полётов за пределы земной орбиты всему этому не суждено было сбыться.
Фото: © joyreactor.cc
Малые гравитационные формы
В компактном варианте, показанном выше, центрифугу малого радиуса можно использовать не только для периодических тренировок в «тренажёрном зале» орбитальной станции, но и для сна. Вам кажется, что на вращающейся платформе вряд ли уснёшь? Вовсе нет: тот же дед Дарвина успешно использовал её, чтобы вызвать сон у лиц с сомнологическими расстройствами. В случае, если космонавты будут проводить там по восемь часов в сутки, о «гравитационных» проблемах на космических кораблях можно забыть как минимум до эпохи меж з вё здных перелётов.
Конечно, слишком маленькой центрифугу в космосе лучше не делать, иначе сила тяжести на уровне головы будет существенно ниже, чем на уровне ног. Только эксперименты помогут выяснить, правильные ли размеры для неё подобрали в Роскосмосе, а значит, эти эксперименты на орбите просто неизбежны. Пока Россия здесь делает только первые шаги — даже двигатель для центрифуги на видео выше пришлось покупать в Австрии, поскольку в нашей стране таких пока не делают. И тем не менее весь это т проект вполне реален.
Модуль для центрифуги, спроектированный NASA. Фото: © wikipedia.org
Более чем десятилетие назад NASA задумало создать на МКС свой спецмодуль для центрифуги, однако из-за использования Агентством для сборки МКС безумно дорогих шаттлов проект «не взлетел» по финансовым ограничениям (хотя модуль для него уже был создан). И вот теперь, как ни странно, Роскосмос может стать первой в мире организацией, которая вытащит аппарат «искусственной гравитации» в космос и опробует его на людях. Для снижения затрат на доставку на орбиту спецмодуля для размещения центрифуги, его сделают надувным (точнее, газоразвертываемым). Тогда на «завоз» всех нужных узлов уйдёт не так уж много рейсов.
Что это обещает в ближайшем будущем? Пока не так много: первые полёты к Марсу будут слишком ограничены по массе полезной нагрузки. Даже весьма нужная центрифуга на корабль вряд ли поместится. Гораздо лучше с полезной нагрузкой в варианте ядерного буксира. Но тот будет лететь к Марсу так недолго, что смысл создания там «гравиубежища» неясен. И всё же, как мы отмечали выше, четвёртой планетой Солнечная система не заканчивается, так что за центрифугами короткого радиуса, скорее всего, будущее пилотируемой космонавтики.
