Umiestnite človeka do priestoru, ďaleko od gravitačných väzieb zemského povrchu a zažije stav beztiaže. Hoci naňho budú všetky masy vesmíru stále pôsobiť gravitačnou silou, budú priťahovať aj akúkoľvek kozmickú loď, v ktorej sa človek nachádza, takže sa bude vznášať. A predsa nám v televízii ukázali, že posádka istej vesmírnej lode celkom úspešne chodí s nohami na podlahe za akýchkoľvek podmienok. Na tento účel sa používa umelá gravitácia vytvorená inštaláciami na palube fantastickej lode. Ako blízko je to k skutočnej vede?

Kapitán Gabriel Lorca na moste Discovery počas simulovanej bitky s Klingónmi. Celú posádku priťahuje umelá gravitácia, a to je už akoby kánon

Pokiaľ ide o gravitáciu, Einsteinovým veľkým objavom bol princíp ekvivalencie: pri rovnomernom zrýchlení je referenčná sústava nerozoznateľná od gravitačného poľa. Ak by ste boli na rakete a nevideli by ste vesmír cez okno, netušili by ste, čo sa deje: ťahá vás dole gravitácia, alebo sa raketa zrýchľuje určitým smerom? Toto bola myšlienka, ktorá viedla k všeobecnej teórii relativity. Po 100 rokoch je to najpresnejší popis gravitácie a zrýchlenia, aký poznáme.

Identické správanie lopty padajúcej na podlahu v rakete (vľavo) a na Zemi (vpravo) demonštruje Einsteinov princíp ekvivalencie

Je tu ešte jeden trik, ako píše Ethan Siegel, ktorý môžeme použiť, ak chceme: môžeme roztočiť vesmírnu loď. Namiesto lineárneho zrýchlenia (ako je ťah rakety) môže fungovať dostredivé zrýchlenie tak, že osoba na palube cíti, ako ho vonkajšie telo kozmickej lode tlačí do stredu. Táto technika bola použitá v roku 2001: Vesmírna odysea a ak by bola vaša vesmírna loď dostatočne veľká, umelá gravitácia by bola na nerozoznanie od skutočnej.

Je tu len jedna vec. Tieto tri typy zrýchlenia – gravitačné, lineárne a rotačné – sú jediné, ktoré môžeme použiť na simuláciu účinkov gravitácie. A to je pre kozmickú loď obrovský problém.

Koncept stanice z roku 1969, ktorá mala byť zostavená na obežnej dráhe z ukončených etáp programu Apollo. Stanica sa mala otáčať okolo svojej centrálnej osi, aby vytvorila umelú gravitáciu

prečo? Pretože ak chcete ísť do iného hviezdneho systému, budete musieť svoju loď zrýchliť, aby ste sa tam dostali, a potom ju spomaliť, keď dorazíte. Ak sa nemôžete chrániť pred týmito zrýchleniami, čaká vás katastrofa. Napríklad na zrýchlenie na plnú hybnosť v Star Treku, na niekoľko percent rýchlosti svetla, by človek musel zažiť zrýchlenie 4000 g. To je 100-násobné zrýchlenie, ktoré začína brzdiť prietok krvi v tele.

Štart raketoplánu Columbia v roku 1992 ukázal, že zrýchlenie nastáva počas dlhého obdobia. Zrýchlenie kozmickej lode bude mnohonásobne vyššie a ľudské telo sa s tým nebude vedieť vyrovnať

Ak nechcete byť počas dlhej cesty v stave beztiaže – aby ste sa nevystavili hroznému biologickému opotrebovaniu, ako je strata svalov a kostí – na telo musí pôsobiť stála sila. Pre akúkoľvek inú silu je to celkom jednoduché. V elektromagnetizme by sa napríklad dala posádka umiestniť do vodivej kabíny a mnohé vonkajšie elektrické polia by jednoducho zmizli. Do vnútra by bolo možné umiestniť dve rovnobežné dosky a vytvoriť tak konštantné elektrické pole, ktoré tlačí náboje v určitom smere.

Len keby gravitácia fungovala rovnako.

Nič také ako gravitačný vodič jednoducho neexistuje, ani sa pred gravitačnou silou chrániť nedá. Nie je možné vytvoriť rovnomerné gravitačné pole v oblasti priestoru, napríklad medzi dvoma platňami. prečo? Pretože na rozdiel od elektrickej sily generovanej kladnými a zápornými nábojmi, existuje len jeden typ gravitačného náboja, a to hmotnosť-energia. Gravitačná sila vždy priťahuje a nie je pred ňou úniku. Môžete použiť iba tri typy zrýchlenia – gravitačné, lineárne a rotačné.

Prevažná väčšina kvarkov a leptónov vo vesmíre pozostáva z hmoty, ale každý z nich má aj antičastice vyrobené z antihmoty, ktorých gravitačné hmotnosti neboli určené.

Jediný spôsob, ako by sa dala vytvoriť umelá gravitácia, ktorá by vás chránila pred účinkami zrýchlenia vašej lode a poskytovala by vám neustály ťah „nadol“ bez zrýchlenia, by bolo, keby ste odomkli častice hmoty s negatívnou gravitáciou. Všetky častice a antičastice, ktoré sme doteraz našli, majú kladnú hmotnosť, ale tieto hmotnosti sú zotrvačné, čo znamená, že ich možno posúdiť len vtedy, keď je častica vytvorená alebo zrýchlená. Zotrvačná hmotnosť a gravitačná hmotnosť sú rovnaké pre všetky častice, ktoré poznáme, ale nikdy sme našu myšlienku netestovali na antihmote alebo antičasticiach.

V súčasnosti sa v tejto oblasti uskutočňujú experimenty. Experiment ALPHA v CERN vytvoril antivodík: stabilnú formu neutrálnej antihmoty a pracuje na jej izolácii od všetkých ostatných častíc. Ak bude experiment dostatočne citlivý, budeme môcť zmerať, ako sa antičastica dostane do gravitačného poľa. Ak spadne dole, ako bežná hmota, potom má kladnú gravitačnú hmotnosť a dá sa použiť na vytvorenie gravitačného vodiča. Ak padne nahor v gravitačnom poli, všetko zmení. Stačí jeden výsledok a umelá gravitácia by mohla byť zrazu možná.

Možnosť získania umelej gravitácie je pre nás neuveriteľne atraktívna, ale je založená na existencii negatívnej gravitačnej hmoty. môže byť taká masa, ale zatiaľ sme to nepreukázali

Ak má antihmota zápornú gravitačnú hmotnosť, potom vytvorením poľa normálnej hmoty a stropu antihmoty by sme mohli vytvoriť umelé gravitačné pole, ktoré by vás vždy ťahalo dole. Vytvorením gravitačne vodivého obalu v podobe trupu našej kozmickej lode by sme posádku ochránili pred silami ultrarýchleho zrýchlenia, ktoré by inak bolo smrteľné. A čo je najlepšie, ľudia vo vesmíre by už nepociťovali negatívne fyziologické účinky, ktoré dnes trápia astronautov. Kým však nenájdeme časticu so zápornou gravitačnou hmotnosťou, umelú gravitáciu získame len vďaka zrýchleniu.

Ekológia poznania. Dlhodobý pobyt vo vesmíre má vážne následky. Lekársky výskum účinkov mikrogravitácie na astronautov

Dlhodobý pobyt vo vesmíre má vážne následky. Lekársky výskum o účinkoch mikrogravitácie na astronautov po mesiacoch na nízkej obežnej dráhe Zeme (LEO) dospel k trpkému záveru, že ľudia nemôžu plnohodnotne žiť bez gravitácie. Ako taká sa o umelej gravitácii čoraz viac diskutuje ako o kritickej zložke dlhotrvajúcej misie vo vesmíre, blízko aj ďaleko od Zeme.

Umelá gravitácia bude dôležitá najmä pri dlhodobých komerčných misiách, kde bude telerobotiku ovládať posádka umiestnená v tesnej blízkosti asteroidu, kde sa ťažia nerasty a vykonávajú sa iné činnosti. Takáto gravitácia bude užitočná aj pre dlhodobé štúdie na telesách s nízkou gravitáciou, ako je Mesiac, Mars alebo dokonca satelity vonkajších planét.

William Kemp so sídlom vo Washingtone verí, že on a jeho obchodný partner Ted Mazeika našli životaschopné riešenie týchto problémov. Ide o cylindrickú vesmírnu stanicu s priemerom 30 metrov, ktorá je schopná vytvárať premenlivú umelú gravitáciu otáčaním valca okolo jeho pozdĺžnej osi.

"Ak chceme zostať vo vesmíre dlhšie ako rok, musíme vytvoriť umelú gravitáciu, inak obetujeme ľudí v tomto procese," povedal Kemp, zakladateľ a generálny riaditeľ United Space Structures.

Kemp viac ako tri desaťročia pracoval na zdokonaľovaní svojich nápadov. Spoločnosť má v súčasnosti patentovaný proces v projekte a hľadá financovanie a ďalších partnerov, ktorí môžu výrazne investovať.

Myšlienkou je dosiahnuť umelú gravitáciu prostredníctvom odstredivej sily, ktorá by vyžadovala rotáciu, vytvárajúcu tlak smerom nadol. Malá 10-metrová konštrukcia by sa teoreticky mohla točiť dostatočne rýchlo na to, aby ľudia cítili gravitáciu, no Kemp hovorí, že astronauti s takouto konštrukciou by mali hrozné problémy s vnútorným uchom.

"Ak je rýchlosť rotácie príliš vysoká, váš zmysel pre rovnováhu bude vyvedený z miery a čoskoro budete cítiť hroznú bolesť v rukách a kolenách," hovorí Kemp.

Malá valcová stanica s priemerom 30 metrov, ktorú navrhol Kemp, by však dokázala udržať gravitáciu 0,6 Zeme; to je minimum, ktoré umožní ľuďom bezpečne bývať na stanici aspoň dva roky. Astronauti budú žiť vo vnútri valca aj na vonkajšej pologuli konštrukcie.

Kemp hovorí, že 30-metrová valcová stanica by vyžadovala rýchlosť otáčania 5,98 otáčok za minútu a minimálnu použiteľnú veľkosť na vytvorenie umelej gravitácie. Vysoká rýchlosť rotácie by bola pre astronautov nepohodlná.

"Smer, ktorým sa valec otáča, nezáleží," hovorí Kemp. - Rýchlosť závisí od polomeru rotujúceho objektu a gravitácie, ktorú potrebujete; čím väčší je polomer, tým nižšia je rýchlosť otáčania."

Prvým krokom v testovaní United Space Structures bude testovanie 30-metrového prototypu v LEO, hovorí Kemp. Hoci by takáto 30-metrová stanica mohla pojať najmenej 30 ľudí, fungovala by dobre v hlbokom vesmíre aj v prostredí ťažby asteroidov blízko Zeme.

Ktorí partneri postavia tieto stanice?

„Rokujeme s firmami ako napr Deep Space Industries , ktorí chcú ťažiť asteroidy, a s ďalšími spoločnosťami, ktoré chcú ťažiť Mesiac, hovorí Kemp. "Radi by sme použili štartovacie platformy SpaceX, ale to výrazne zvýši náklady, takže spočiatku budeme na konštrukciu používať skôr kompozitné materiály než kovy."

Napriek plánovaným skokom vo vesmírnej medicíne počas nasledujúcich dvoch desaťročí je Kemp absolútne presvedčený, že umelá gravitácia bude vždy potrebná. Postupom času v podmienkach mikrogravitácie ubúda svalová a kostná hmota, zmenšuje sa zrakový nerv, ustupuje sietnica, znižuje sa imunita a možno je narušené aj kritické myslenie.

To samozrejme neznamená, že umelá gravitácia bude všeliekom.

V prostredí s umelou gravitáciou budú astronauti stále vedieť, že sú na rotujúcej stanici, hovorí Kemp. Chôdza na takejto stanici bude pripomínať chôdzu dolu svahom, pretože vám zmizne podlaha spod nôh. Chôdza v opačnom smere otáčania sa bude cítiť ako chôdza do kopca, pretože podlaha stúpa. A ak pôjdete kolmo na rotáciu akýmkoľvek smerom, budete mať pocit, že padáte nabok.publikované

Problémy s vestibulárnym systémom nie sú jediným dôsledkom dlhodobého pôsobenia mikrogravitácie. Astronauti, ktorí strávia na ISS viac ako mesiac, často trpia poruchami spánku, spomalenými kardiovaskulárnymi funkciami a plynatosťou.

NASA nedávno dokončila experiment, v rámci ktorého vedci skúmali genóm bratov dvojčiat: jeden z nich strávil takmer rok na ISS, druhý uskutočnil len krátke lety a väčšinu času strávil na Zemi. Dlhodobý pobyt vo vesmíre viedol k tomu, že 7 % DNA prvého astronauta sa navždy zmenilo – hovoríme o génoch spojených s imunitným systémom, tvorbou kostí, kyslíkovým hladovaním a nadbytkom oxidu uhličitého v tele.

NASA porovnávala dvojičky astronautov, aby zistila, ako sa ľudské telo mení vo vesmíre

V podmienkach mikrogravitácie bude človek nútený zostať nečinný: nehovoríme o pobyte astronautov na ISS, ale o letoch do hlbokého vesmíru. Aby zistila, ako by takýto režim ovplyvnil zdravie astronautov, Európska vesmírna agentúra (ESA) umiestnila 14 dobrovoľníkov na 21 dní do postele naklonenej na stranu hlavy. Experiment, ktorý otestuje najnovšie metódy boja proti stavu beztiaže – ako napríklad vylepšené cvičebné a výživové režimy – plánujú spoločne uskutočniť NASA a Roskosmos.

Ak sa ale ľudia rozhodnú poslať lode na Mars alebo Venušu, budú potrebné extrémnejšie riešenia – umelá gravitácia.

Ako môže existovať gravitácia vo vesmíre

V prvom rade stojí za to pochopiť, že gravitácia existuje všade – na niektorých miestach je slabšia, inde silnejšia. A vesmír nie je výnimkou.

ISS a satelity sú neustále pod vplyvom gravitácie: ak je objekt na obežnej dráhe, padá okolo Zeme, zjednodušene povedané. Podobný efekt nastane, ak loptičku hodíte dopredu – kým dopadne na zem, trochu poletí v smere hodu. Ak loptičku hodíte silnejšie, poletí ďalej. Ak ste Superman a loptička je raketový motor, nespadne na zem, ale poletí okolo nej a bude pokračovať v rotácii a postupne sa dostane na obežnú dráhu.

Mikrogravitácia predpokladá, že ľudia vo vnútri lode nie sú vo vzduchu – padajú z lode, ktorá zase padá okolo Zeme.

Pretože gravitácia je sila príťažlivosti medzi dvoma hmotami, zostávame na povrchu Zeme, keď po nej kráčame, namiesto toho, aby sme sa vznášali na oblohe. V tomto prípade celá hmota Zeme priťahuje hmotu našich tiel do svojho stredu.

Keď sa lode dostanú na obežnú dráhu, voľne plávajú vo vesmíre. Stále sú vystavené gravitačnej príťažlivosti Zeme, ale loď a predmety alebo pasažieri v nej podliehajú gravitácii rovnakým spôsobom. Existujúce zariadenia nie sú dostatočne masívne, aby vytvorili výraznú príťažlivosť, takže ľudia a predmety v nich nestoja na podlahe, ale „plávajú“ vo vzduchu.

Ako vytvoriť umelú gravitáciu

Umelá gravitácia ako taká neexistuje, na jej vytvorenie sa človek potrebuje naučiť všetko o prirodzenej gravitácii. V sci-fi existuje koncept simulácie gravitácie: umožňuje posádke vesmírnych lodí chodiť po palube a objekty na nej stáť.

Teoreticky existujú dva spôsoby vytvorenia simulovanej gravitácie a ani jeden z nich ešte nebol použitý v reálnom živote. Prvým je použitie dostredivej sily na simuláciu gravitácie. Loď alebo stanica musí byť kolesová konštrukcia pozostávajúca z niekoľkých neustále sa otáčajúcich segmentov.

Podľa tejto koncepcie dostredivé zrýchlenie zariadenia, ktoré tlačí moduly smerom k stredu, vytvorí zdanie gravitácie alebo podmienky podobné tým na Zemi. Tento koncept bol demonštrovaný vo filmoch Stanleyho Kubricka 2001: Vesmírna odysea a Interstellar Christophera Nolana.

Koncept zariadenia, ktoré vytvára dostredivé zrýchlenie na simuláciu gravitácie

Za autora tohto projektu sa považuje nemecký raketový vedec a inžinier Wernher von Braun, ktorý viedol vývoj rakety Saturn 5, ktorá dopravila na Mesiac posádku Apolla 11 a niekoľko ďalších pilotovaných vozidiel.

Ako riaditeľ Marshall Space Flight Center NASA von Braun spopularizoval myšlienku ruského vedca Konstantina Ciolkovského vytvoriť toroidnú vesmírnu stanicu založenú na dizajne náboja pripomínajúceho koleso bicykla. Ak sa koleso otáča v priestore, potom zotrvačnosť a odstredivá sila môžu vytvoriť akúsi umelú gravitáciu, ktorá ťahá predmety smerom k vonkajšiemu obvodu kolesa. To umožní ľuďom a robotom chodiť po podlahe, ako na Zemi, namiesto toho, aby sa vznášali vo vzduchu, ako na ISS.

Táto metóda má však značné nevýhody: čím menšia je kozmická loď, tým rýchlejšie sa musí otáčať - to povedie k vzniku takzvanej Cornolisovej sily, pri ktorej budú body umiestnené ďalej od stredu silnejšie ovplyvňované gravitáciou ako tie. bližšie k tomu. Inými slovami, gravitácia bude silnejšia na hlavách astronautov ako na nohách, čo sa im nebude páčiť.

Aby sa predišlo tomuto efektu, veľkosť lode musí byť niekoľkonásobne väčšia ako veľkosť futbalového ihriska – uvedenie takéhoto zariadenia na obežnú dráhu bude mimoriadne drahé, vzhľadom na to, že náklady na jeden kilogram nákladu pri komerčných štartoch sa pohybujú od 1,5 tis. na 3 tisíc dolárov.

Iný spôsob vytvorenia simulácie gravitácie je praktickejší, ale aj extrémne nákladný – hovoríme o metóde zrýchlenia. Ak loď najprv zrýchli na určitom segmente dráhy a potom sa otočí a začne spomaľovať, vznikne efekt umelej gravitácie.

Na implementáciu tejto metódy budú potrebné obrovské zásoby paliva - faktom je, že motory musia pracovať takmer nepretržite, s výnimkou krátkej prestávky uprostred cesty - počas otáčania lode.

Reálne príklady

Napriek vysokým nákladom na vypustenie kozmických lodí simulujúcich gravitáciu sa spoločnosti po celom svete snažia takéto lode a stanice postaviť.

Nadácia Gateway, výskumná nadácia, ktorá plánuje postaviť rotačnú stanicu na obežnej dráhe Zeme, sa snaží implementovať Von Braunov koncept. Predpokladá sa, že po obvode kolesa budú umiestnené kapsuly, ktoré si môžu verejné a súkromné ​​letecké spoločnosti zakúpiť na výskum. Niektoré kapsuly budú predané ako vily najbohatším obyvateľom sveta, zatiaľ čo iné budú využívané ako hotely pre vesmírnych turistov. predstavila koncept rotujúcej kozmickej lode s nafukovacími modulmi, Nautilus-X, ktorá by znížila účinky mikrogravitácie na vedcov. na palube.

Predpokladalo sa, že projekt bude stáť len 3,7 miliardy dolárov – čo je na takéto zariadenia veľmi málo – a jeho výstavba bude trvať 64 mesiacov. Nautilus-X sa však nikdy nepohol nad rámec prvotných nákresov a návrhov.

Záver

Zatiaľ najpravdepodobnejším spôsobom, ako získať simulovanú gravitáciu, ktorá ochráni loď pred účinkami zrýchlenia a poskytne konštantnú gravitáciu bez nutnosti neustáleho používania motorov, je detekcia častice so zápornou hmotnosťou. Každá častica a antičastica, ktorú vedci kedy objavili, má kladnú hmotnosť. Je známe, že negatívna hmotnosť a gravitačná hmotnosť sú si navzájom rovné, no výskumníci doteraz neboli schopní preukázať tieto poznatky v praxi.

Výskumníci z experimentu ALPHA v CERN-e už vytvorili antivodík – stabilnú formu neutrálnej antihmoty – a pracujú na jeho izolácii od všetkých ostatných častíc pri veľmi nízkych rýchlostiach. Ak sa to vedcom podarí, je pravdepodobné, že v blízkej budúcnosti sa umelá gravitácia stane reálnejšou ako teraz.

Umelá gravitácia je už dlho opísaná v sci-fi románoch a zobrazená vo filmoch ako 2001: Vesmírna odysea. Teoreticky sa nepopiera možnosť vytvorenia umelého. K projektom, ktoré by bolo možné v blízkej budúcnosti otestovať v podmienkach vesmírnych staníc, sa však prakticky nikdy nedostalo. To všetko sa však môže čoskoro zmeniť vďaka úsiliu tímu CU Boulder.

Prečo je potrebná umelá gravitácia?

V skutočnosti je tu všetko celkom jednoduché a podstata spočíva v ľudskej fyziológii. Faktom je, že naše telá sú navrhnuté tak, aby existovali, keď sila gravitácie pôsobí na všetky naše vnútorné orgány a pohybový aparát. V podmienkach vesmírnych staníc tento vplyv, ako viete, prakticky neexistuje, čo je v budúcnosti spojené so vznikom rôznych problémov. A ak sa svaly a kĺby dajú udržiavať v dobrej kondícii cvičením na špeciálnych posilňovacích strojoch, potom sa vnútorné orgány takto „trénovať“ nedajú.

Zároveň sa počas vývoja inžinieri stretli s veľmi zjavným problémom: pri dlhom otáčaní sa človeku začína cítiť zle. Je možné sa tohto vedľajšieho účinku zbaviť? Ako sa ukázalo, je to možné. Počas testovania, do relácie 10, sa všetky subjekty pohodlne otáčali v centrifúge bez akýchkoľvek problémov. Rýchlosť otáčania bola 17 otáčok za minútu.

Prečo nemôžete použiť inštaláciu práve teraz?

Než sa vedci pustia do testovania vo vesmíre v plnom rozsahu, musia si zodpovedať množstvo otázok. Totiž, ako dlho trvá efekt učenia sa byť v centrifúge, či má tento prístup dlhodobé zdravotné následky a hlavne, ako dlho musí astronaut absolvovať tento „gravitačný kúpeľ“, aby kompenzoval všetky negatívne dôsledky stavu beztiaže. Kedysi uskutočniteľnosť a bezpečnosť prístupu vyvinutého tímom CU Boulder