Представьте, что вы внутри автомобиля - или другой машины - вращаетесь так быстро, что сила прижимает ваше тело к стене или сиденью. По мере того, как вы вращаетесь все быстрее и быстрее, это давление, прижимающее вас к стене, увеличивается (и, наоборот, оно уменьшается по мере замедления вращения). Вес ощущается как сила тяжести, которая удерживает ваше тело на земле.
У простого человека, опыт ощущения перегрузки вероятно, связан с поездкой в парк развлечений - особенно с классической поездкой на роторе, которая доставляла много радости (и, конечно, тошноты) начиная с середины 19 века.
Но горстка людей, включая космонавтов и военных пилотов, испытывает то же явление в центрифуге, рассчитанной на человека, - машине, которая вращается для создания этих высоких «G-сил», также называемых ускорением. Они испытывают эту перегрузку на борту высокопроизводительных самолетов во время разворотов на высокой скорости, а также во время запусков в космос и когда космические корабли быстро замедляются при входе в атмосферу Земли.
Что такое искусственная гравитация?
В самом прямом смысле этот тип вращения создает гравитацию, точнее, искусственную гравитацию. Он придает вес вашему телу - вес, который ваши кости и мускулы не могут отличить от веса, который дает Земля или другая планета из-за своей абсолютной массы.
Следовательно, на протяжении десятилетий писатели-фантасты представляли себе вращающиеся космические корабли, которые создают искусственную гравитацию для космонавтов во время самых длительных фаз космических миссий. В этих фазах они не являются сверхтяжелыми из-за ускорения корабля для набора скорости или замедления в атмосфере, но невесомыми из-за движения корабля по инерции, что исключает влияние гравитации.
Двумя примерами такой искусственной гравитации в научной фантастике являются фильм 2015 года «Марсианин» и эпос 1968 года «2001: Космическая одиссея». «Марсианин» представляет собой межпланетный корабль «Гермес» с большой частью в форме колеса, которая вращается во время своего путешествия между Землей и Марсом. Когда камера приближается, вы замечаете, что «верх» для космонавтов внутри «Гермеса» всегда направлен к центру колеса, а «вниз», «пол», - это обод.
Помимо простого комфорта, есть веские причины, по которым нам нужна искусственная гравитация в космических полетах на большие расстояния. Во-первых, в невесомости наши тела изменяются таким образом, что могут быть опасны, когда космонавты прибывают в свои пункты назначения, такие как Марс, или возвращаются на Землю. Кости теряют минеральный состав (они размягчаются, становясь уязвимыми для разрушения), атрофия мышц (они сокращаются и ослабевают), жидкости перемещаются к голове и также выводятся из организма, вызывая изменения в сердечно-сосудистой системе и легких, а в последние годы исследователи космической медицины обнаружили, что может быть необратимым повреждением глаз у некоторых космонавтов. Добавьте к этому исследование, предполагающее, что гравитация может потребоваться людям для нормальной беременности в космосе, и почти кажется очевидным, что любой космический корабль, перевозящий людей вокруг Солнечной системы, либо должен вращаться, либо иметь какую-то часть корабля, которая это делает.
Исследование искусственной гравитации
Исследуют ли НАСА и другие организации такую возможность? Ответ положительный. С 1960-х годов ученые НАСА рассматривают возможность создания искусственной гравитации посредством вращения. Однако усилия, финансирование и общий энтузиазм на протяжении десятилетий то увеличивались, то ослабевали. В 1960-х годах, когда НАСА работало над отправкой человека на Луну, наблюдался всплеск исследований.
Хотя НАСА последние полвека не уделяло особого внимания исследованиям искусственной гравитации, ученые как внутри, так и за пределами космического агентства изучают ряд ситуаций. Мыши, вращающиеся в небольшой центрифуге на борту Международной космической станции, выжили без проблем, и люди, привязанные к Земле, учатся адаптироваться во вращающихся комнатах. Один из них находится в Лаборатории пространственной ориентации Эштона Грейбила в Университете Брандейса, а в Институте аэрокосмической медицины DLR в Кельне, Германия, находится центрифуга DLR с короткой штангой, модуль 1. Это единственный в своем роде объект в мире, изучающий эффекты измененной силы тяжести, особенно в том, что касается рисков для здоровья, возникающих в условиях микрогравитации.
Почему у нас нет вращающихся космических кораблей?
Но если необходимость в искусственной гравитации настолько очевидна, зачем возиться с исследованиями в космосе или на Земле? Почему бы инженерам просто не заняться проектированием вращающихся кораблей, таких как Hermes?
Ответ заключается в том, что искусственная гравитация требует компромисса, потому что все это вращение создает проблемы. Как и в случае с Rotor Ride, движение головой при быстром вращении вызывает тошноту. Вращение также воздействует на жидкость во внутреннем ухе и на любые другие части тела, которые вы перемещаете во вращающейся среде.
И тошнота, дезориентация и проблемы с движением усугубляются, чем быстрее вы вращаетесь. Но количество создаваемой искусственной гравитации зависит как от числа оборотов в минуту, так и от размера всего вращающегося.
Чтобы испытать определенное количество гравитации - например, половину обычного количества, которое вы чувствуете на Земле - длина радиуса вращения (расстояние от вас, стоящего на полу до центра того, что вращается) определяет, насколько быстро вы нужно крутить. Постройте корабль в форме колеса с радиусом 225 метров, и вы создадите полную земную гравитацию (известную как 1G), вращающуюся всего на 1 об/мин. Это достаточно медленно, но будьте уверены, что никто не почувствует тошноту или дезориентацию.
За исключением того, что пол был немного изогнутым, все на борту такого корабля выглядело бы вполне нормально. Но создание и запуск такой огромной конструкции в космосе повлечет за собой множество инженерных проблем.
Это означает, что НАСА и любые другие космические агентства или организации, которые могут отправить людей вокруг Солнечной системы в будущем, должны согласиться на меньшую гравитацию, более быстрое вращение (больше оборотов в минуту) или и то, и другое. Поскольку на Луне нет лаборатории, где гравитация на поверхности составляет около 16 процентов от поверхности Земли, что делает ее отличным местом для исследования эффектов низкой гравитации, а не невесомости, просто не хватает данных, чтобы знать, как большая гравитация может понадобиться людям для длительных космических полетов или космических колоний. Такие данные необходимы, как и данные о том, сколько вращения люди могут разумно переносить, и это является основанием для продолжающихся исследований искусственной гравитации.
