Всем привет! Это подкаст «Феи / Роботы / Пришельцы». Сегодня будем говорить о том, без чего мы не представляем себе космических путешествий: о невесомости и гравитации. Как работает привычная нам сила тяжести, и почему ее нет в космосе? Зачем строить станции в виде бубликов и вращающихся сфер? Почему в фильмах так любят показывать искусственную гравитацию, и насколько она возможна с нашим уровнем технологий? Об этом и поговорим.
Микрогравитация и сила тяжести
Чаще всего мы представляем космос как бескрайний океан. Есть корабли, бороздящие его просторы. Есть отдельные неизведанные острова-планеты. Отважные капитаны отправляются в путь, где их ждут коварные рифы-астероиды и водовороты-черные дыры. Несмотря на некоторые сходство, путешествие по космосу будет сильно отличаться от самого рискованного плавания на корабле. Совсем другие масштабы: расстояние между планетами измеряется не неделями, а световыми годами. Совсем другие принципы движения. Реактивный двигатель, а не ветер в парусах, течение или инерция. А также отсутствие или изменения гравитации.
Ускорение свободного падения со скоростью 9,8 метров в секунду за секунду настолько для нас естественно и привычно, что мы даже не задумываемся, как может быть иначе. По одной версии, понимание силы тяжести — это одно из врождённых знаний человека. Ребёнок с самого рождения знает, что предметы падают сверху вниз. Везде на Земле это так. Но совсем по-другому за ее пределами!
Сил тяжести на Луне в шесть раз меньше, чем на Земле, на Марсе в четыре раза. На космической станции на орбите будет микрогравитация. Это связано с тем, что станция как бы постоянно падает на Землю, но каждый раз мимо неё промахивается и летит дальше по кругу.
В одном из прошлых выпусков мы уже говорили, что снижение силы тяжести чрезвычайно неудобно и даже опасно для человека. Это и атрофия мышц, и вымывание кальция из костей, и изменение внутренних органов. Да что там, почитайте воспоминания космонавтов о том, как сложно в космосе приготовить пищу, когда любая капля воды норовит улететь в воздух! Не говоря уже о том, какой проблемой становится поход в туалет в условиях невесомости. Человек не чувствует заполнения мочевого пузыря, потому что жидкость не давит на стенки органа. А само устройства туалета для невесомости — это аттракцион не для слабонервных.
В космической фантастике, конечно же, эту тему затрагивают. Каждый раз, когда герой входит на борт космического корабля, нужно оговаривать, как там с гравитацией.
Как ни странно, чаще всего писатели и режиссёры идут по самому научно сложному пути: на корабле действует искусственная гравитация. Капитан входит на мостик своего корабля, встает перед огромным обзорным экраном, за которым видны звезды, все предметы падают сверху вниз, каким-то образом пол корабля притягивает все предметы с той же силой, как и планета Земля.
С научной точки зрения это самый нереальный способ, о чем мы поговорим позже. Но он наиболее удобен для читателей и зрителей. Не нужно делать постоянных поправок на особенности жизни в невесомости, не нужно тратиться на дорогие спецэффекты.
Единственный разумный способ имитировать невесомость, не покидая Земли, это параболический полет на грузовом самолете, который стоит больших денег, дает около тридцати секунд невесомости, и не позволяет создать нужных декораций (хотя именно так снимали сцены невесомости для фильма «Аполлон-13» и сериала «Космическая Одиссея»).
Конечно, есть более дешевые способы смоделировать невесомость с помощью веревок и трюков с камерой, но в целом намного проще убрать невесомость вообще. Можно сконцентрироваться на более интересных вещах, чем попытки собрать разлетевшиеся в невесомости хлебные крошки.
Мы еще поговорим про гравитационную магию, но сперва давайте обсудим, что вообще такое гравитация?
Что такое сила тяжести?
Что же такое гравитация, о которой мы говорим? По современному представлению, это вид поля, которое формируют все объекты, имеющие массу, то есть объекты, которые обладают массой, взаимно притягиваются друг к другу. Базовые принципы для нашей повседневной жизни были изучены ещё Исааком Ньютоном. Он же вывел формулу, описывающую силу этого притяжения: произведение масс двух объектов делить на квадрат расстояние между ними.
В XX веке Эйнштейн перевернул наше понимание гравитации. Из его теории следует, что гравитация — это искривление пространства-времени материей. Она влияет на то, как пространство и время изгибаются. То есть все предметы формируют вокруг себя искривление, которое притягивает к ним другие предметы. Образно говоря, гравитационный колодец, в которой могут скатываться другие близлежащие предметы. Глубина этого колодца зависит от массы и расстояния между объектами. Небольшие предметы могут притягивать только другие небольшие и на малом расстоянии. А вот звезды и скопления галактик распространяют свое влияние на огромные расстояния.
Именно так была сформирована наша Солнечная система: под действием силы тяжести частицы протопланетного диска собрались вместе в большую звезду и планеты. Массивные объекты могут искажать вокруг себя пространство, например отклонять летящий по прямой луч света. В астрономии это называется линзирование. Были проведены эксперименты, которые подтвердили теоретических предсказания теории Эйнштейна. Во время солнечного затмения, когда не мешает свет Солнца, мы можем видеть звезды, находящийся прямо за ним. Звезды, которые находятся за Солнцем, видны на краю солнечного диска. Гравитация такого огромного объекта, как наша звезда, заставляет отклоняться лучи света.
Также, чем ближе к источнику гравитации, тем медленнее идёт время. На планете с высокой гравитацией, как показано в фильме «Интерстеллар», для людей на планете пройдёт меньше времени, чем для тех, кто остался на орбите этой планеты. То есть в космосе время течёт быстрее, чем на поверхности планеты. Ядро Земли фактически на 2,5 года моложе ее поверхности.
С точки зрения квантовой физики все ещё более неопределённо. Предполагается, что существует мельчайшая частица под названием гравитон, которая служит для передачи гравитационных волн. Гравитоны и обеспечивают то, что гравитация действует внутри своего поля, точно так же как для электромагнитного излучения есть фотоны. Но пока что гравитон остается теоретической частицей. Мы никак не смогли зафиксировать его существование.
Таким образом, остается пропасть между физикой микро и макромира. Квантовая физика говорит о взаимодействии тел на самом мелком, субатомном уровне. Уравнения Эйнштейна объясняет движение тел на уровне планет и звезд. Найти единое уравнение, чтобы связать эти уровни между собой, нам пока не удается. Это и есть та самая пресловутая «теория всего», над созданием который бьются сейчас лучше физики планета.
Это, однако, не мешает упоминать гравитоны в фантастике, как источник искусственной силы тяжести на космических кораблях. При этом гравитоны становятся просто научным словом для обозначения магии.
Итак, что же мы можем сделать для того, чтобы на космическом корабле были комфортно находится?
Иногда в фантастических произведениях проблему решают совсем просто - с помощью «магнитных ботинок». Металлический пол и тяжелые ботинки скафандра, снабженные магнитами, чтобы удерживать астронавта. Правда, магнит волшебным образом влияет на все, что носит человек, и на все в рубке. То есть ношение обуви с магнитами не только притягивает ноги к полу, но и удерживает руки, волосы и кофе в кружке.
Но нам все-таки нужен способ преодолеть невесомость!
Чем больше масса, тем больше сила притяжения. Если нам удастся сделать корабль массой с Землю, то в состоянии покоя сила притяжения на нём будет равна привычной нам земной. Идея, на самом деле, не такая уж абсурдная. Она даже теоретически была рассмотрена в космологических проектах.
Если нам нужно будет перенести куда-то все население Земли, то вместо того, чтобы строить много космических кораблей и оставлять Землю необитаемый, много проще будет передвинуть саму Землю или всю Солнечную систему. Сделать двигатель для Солнца и заставить его отправиться в нужном направлении, вместе со всеми планетами.
Ускорение неотличимо от гравитации
Ещё один способ создать искусственную силу тяжести, не нарушая законов физики, это применить ускорение. Для наших практических целей сила притяжения и сила ускорения ничем не отличаются. Нас притягивает к центру Земли с такой силой, что на поверхности это притяжение равно 9,8 м/с2. Точно такая же сила будет действует у нас, если мы будем двигаться с ускорением 9,8 м/с за секунду. Соответственно, корабль для такого перемещения будет напоминать многоэтажный дом. Когда корабль будет лететь «носом» вперед, двигатель будет находиться позади, а все обитатели расположатся внутри на поперечных этажах. Каждый будет испытывать силу тяжести, направленную по вектору от носа к двигателю корабля. Эта многоэтажная конструкция полетит вперёд с постоянной тягой, с постоянно работающими двигателями.
Здесь мы сталкиваемся с тем, что 9 метров в секунду — это очень существенное ускорение. Это ускорение, которое набирает ракета, чтобы вырваться из колодца земной гравитации, сжигая огромные запасы топлива за несколько секунд. В нашем случае для того, чтобы симулировать комфортную для экипажа силу тяжести, такое ускорение должно быть постоянным. Не скорость движения, а именно ускорение, то есть увеличение скорости на эту величину каждую секунду. Не будем забывать, что такую набранную скорость нужно будет погасить, чтобы затормозить возле точки назначения. Теоретически, если корабль, летящий с Земли к Марсу, первую половину пути пройдёт с постоянным ускорением в девять g, потом развернётся и будет тормозить с такой же интенсивностью, то для экипажа на борту постоянно будет ощущаться сила, равная земному притяжению, а путешествие до красной планеты займёт от 2 до 5 дней вместо полутора месяцев, как сейчас. Но запас топлива для такого полета получается просто гигантский. Соответственно, фантастическая допущение такого корабля — это новый, чрезвычайно ёмкий и экономичный источник энергии.
Центробежная сила
Ещё один распространённый способ создать искусственную гравитация, который мы часто видим в проектах — это использование центробежной силы.
Здесь действует другая физическая сила, не гравитация или инерция, а сила движения.
Самый популярный пример для объяснения, как это работает — ведро воды на верёвке. Если ведро с водой раскрутить, как пращу, то вода будет оставаться внутри, даже когда ведро будет пролетать вверх ногами.
Вода из него не выльется, потому что на систему ведра и веревки действует одновременно центростремительная сила, направленная к центру вращения, и центробежная, направленная по касательной к траектории вращения. Сложение этих сил приводит к тому, что ведро на веревке вращается по кругу, оно стремится одновременно улететь по прямой линии и упасть.
Центробежную силу мы испытывали на аттракционах, когда на американских горках кабинка делает полную петлю, и благодаря скорости вращения и инерции никто не выпадает со своих мест. Тело стремится продолжить восходящее движение и полететь вверх, но сиденья кабинки удерживает его. Получается, что наше тело давит на сидение кабинки, хотя та в этот момент и расположена вверх ногами.
Соответственно, в космосе если мы хотим создать силу, который будет прижимать нас к полу, мы должны создать вращение.
Гравитация создается внутри космического корабля, космической станции или среды обитания путем ее вращения.
Существует несколько обоснованных проектов таких космических кораблей. С инженерной точки зрения станция может иметь форму тора, то есть говоря проще бублика. Замкнутый цилиндр, внутри которого находится наш экипаж. В середине - центр вращения. Внешняя стена бублика будет полом, внутренняя – потолком, а люди будут ходить по кругу.
Ещё одна версия реализации — это вращающийся цилиндр. Первые чертежи и описание таких кораблей с ощущаемой силой тяжести мы встречаем ещё в работах Циолковского и Королева.
Такие корабли по форме похожи на колесо телеги со спицами. Колесо постоянно вращается, и внутри жилого модуля астронавты чувствуют силу, которая придавливает их к полу. По всем внутренним стенам этого вращающегося цилиндра можно ходить.
Сергей Королев в 1959 году, за два года до полёта Гагарина, уже делала расчёты для космического корабля для полёта на Марс. Этот корабль весом в 75 тонн и длиной 12 метров должен был иметь вращающуюся шестиметровую капсулу для создания искусственной силы тяжести.
В 1966 году даже был проведен эксперимент на орбите. В ходе миссии «Джемини-11» астронавт Гордон соединил кабелем два космических корабля, пристыкованных друг другу. Для этого ему пришлось выйти в открытый космос. После этого два корабля растыкивали, и они разлетелись в космосе на расстояние около 36 метров, соединенные только тросом. Соединённая тросом связка двух капсул была приведена во вращение с помощью двигателей «Джемини». Второй, пустой корабль, служил противовесом для вращения.
Таким образом удалось создать небольшую, но всё-таки заметную силу тяжести, около 15 тысячных процента от земной. Эта сила была слишком мала, чтобы ее почувствовали астронавты, но наблюдалось движение объектов к «полу» капсулы.
Эффект Кориолиса
Не стоит думать, что центробежная сила является полным аналогом силы тяжести.
С точки зрения людей, вращающихся вместе со средой обитания, искусственная гравитация похожа на нормальную гравитацию, но с несколькими неприятными отличиями.
Центробежная сила зависит от расстояния: в отличие от реальной силы тяжести, центробежная сила, ощущаемая наблюдателями в среде обитания, действует радиально, наружу от оси вращения, а сила ее прямо пропорциональна расстоянию от центра вращения. При небольшом радиусе вращения голова стоящего человека будет ощущать значительно меньшую силу, чем его ноги. Обитатели небольшой вращающейся космической станции, будут чувствовать изменения в ощущаемом весе в разных частях тела.
Если на Земле, вращаясь на карусели, попробовать бросить предмет человеку в соседней кабинке, мы скорее всего промахнемся. Кабинка движется, и мы кидаем предмет в одну точку, а к тому моменту, как он долетит, кабинка уже повернётся и её в этом месте не будет. В случае с каруселью мы можем понять причину этого эффекта, поскольку можем выйти и посмотреть на нее снаружи.
Но находясь внутри вращающегося тора или цилиндра, мы не можем поменять точку отсчета.
Возникает так называемый эффект Кориолиса: сила, действующая на объекты, движущиеся относительно вращающейся системы отсчета. Сама вращение для человека внутри незаметно, как и было задумано. Движущаяся система становится для нас точкой отсчета. Однако эффекты вращения никуда не денутся. Если бросить мяч по прямой линии, то будет казаться, что он улетит в сторону, повинуюсь центробежной силе из-за вращения всей конструкции. Таким образом будут сбиваться все заложенные в нас системы ориентирования в пространстве. Мы будем ждать, что все предметы движутся по прямой, а их траектории будут искривляться в направлении, противоположном вращению среды обитания.
Эти силы действуют на каналы внутреннего уха и могут вызывать головокружение. Более низкая скорость вращения уменьшает силу Кориолиса и ее эффекты. Принято считать, что при скорости менее двух оборотов в минуту неблагоприятные эффекты сил Кориолиса не возникают. В экспериментах в центрифуге было показано, что люди могут приспособиться к скорости до 23 об/мин.
Стэнфордский тор и Сфера Бернала
Существует несколько теоретических космический станций, построенных с учетом этих знаний. Одна из них - так называемый «Стэнфордский тор». Этот проект был предложен НАСА в 1975 году студентами Стэнфордского университета.
Он представляет собой тор диаметром около 1,8 километра. Жилая зона внутри тора — это гигантская труба около 8 километров в длину, замкнутая в кольцо. Станция вращается вокруг своей оси, со скоростью один оборот в минуту. Таким образом создается искусственная сила тяжести, равная земной.
Альтернативная модель станции носит название «сфера Бернала». В итоговом расчете, сделанном в 1976 году, это сфера диаметром около 500 метров, вращающаяся со скоростью 1,9 об/мин, чтобы создать на экваторе ощущаемую силу тяжести, равную земной. В результате получится внутренний ландшафт, напоминающий большую долину, огибающую весь экватор сферы.
В обоих моделях, и в торе, и в сфере, внутреннее пространство достаточно для жизни и работы порядка 10 000 человек. Внутреннее пространство достаточно большое для создания искусственной экосистемы, природного окружения. Население живёт здесь в условиях, подобных густонаселенному пригороду.
Солнечный свет поступает внутрь сферы или кольца через систему внешних зеркал, которые направляют его через большие окна.
Сила, прижимающие к наружным стенкам сферы или тора неоднородна. Таким образом можно будет создавать различные зоны для проведения экспериментов, жизни и отдыха, ведения сельского хозяйства и так далее.
Существуют аргументы в пользу обеих форм: сфера лучше держит внутреннее давление, а у тора центре будет ступица, центр вращения, который лучше всего подходит для стыковочного узла, так как в этой точке не будет вращения и искусственной силы тяжести.
Вместо искусственно созданный сферы есть проект использовать астероид. Найти небесное тело подходящие формы и размера, затем захватить его, выдолбить изнутри и заселить внутреннюю часть. При помощи двигателей запустить необходимое вращение, и обустраивать внутренний мир.
В любом случае, такую космическую станцию можно строить только в космосе. Вывести ее на орбиту с Земли невозможно имеющимися у нас способами. Предполагается строить или оборудовать ее в одной из точек Лагранжа, точек равновесия притяжения Земли и Солнца. Конечно, станцию такого размера имеет смысл строить для долгосрочной экспедиции, возможно, как корабль поколений для полета к другим мирам.
Какая сила тяжести нам нужна?
Возможно, что для полноценной жизни людей на борту нам не нужно делать полный аналог земной гравитации. Точных расчётов не существует, но предположительно, доли земной силы тяжести достаточно для того, чтобы избежать большинства неудобств и негативных эффектов микрогравитации.
Какая ощущаемая сила тяжести нужна нам на космическом корабле? Приблизительные оценки говорят, что нам не обязательно создавать силу тяжести, равную 100% земной. Чтобы снизить отрицательный эффект для здоровья, достаточно 20% земной гравитации, чуть больше притяжения Луны. Предположительно, уже при половине земной гравитации любая активность человека будет происходить также, как и на Земле. Однако точных измерений и экспериментов не проводилось просто потому, что у нас нет ни одного такого существующего корабля с искусственной силой тяжести на орбите.
У нас также нет ответа на вопрос, нужна ли гравитация постоянно, или достаточно будет упражнений несколько раз в неделю. Возможно вместо того, чтобы строить огромный корабль с постоянно вращающимся модулем, достаточно будет нескольких установленных на нём центрифуг для того, чтобы все члены экипажа могли проводить там время по очереди.
Такой же подход применим для больших кораблей со спящими колонистами. Нет необходимости вращать весь корабль с оборудованием, запасами топлива и компьютерами. Можно по очереди помещать колонистов в большую центрифугу для того, чтобы держать их мышцы в тонусе.
Будут ли такие станции построены?
Если существуют расчёты вполне реальных, пусть и сложных концептов, то почему же ни один такой корабль до сих пор не построен?
Существовали проекты запустить центрифугу на международную космическую станцию, чтобы проверить, как может работать такая система, но запуска так и не состоялось.
Первая причина, как ни странно, в том, что ученым интереснее изучать отсутствие силы тяжести, чем ее искусственные аналоги.
Мы ещё многого не знаем о микрогравитации. Эксперименты, которые проводят на космических станциях на орбите, например сейчас на МКС, изучают поведение растений и животных в условиях, когда силы тяжести нет. Поэтому создавать на космической станции искусственную силу тяжести просто нет необходимости: она не позволит проводить эксперименты с невесомостью.
Также, нам пока не нужна гравитация на космических станциях, поскольку люди не живут там постоянно. Полеты на МКС – это небольшие командировки для космонавтов, и все негативные эффекты для здоровья, возникающие за время полёта, обратимы по возвращению на Землю.
Ну и основная, самая скучная причина – пока что эти проекты чрезвычайно дороги и сложны в реализации. Предел наших текущих возможностей – это МКС, длиной 109 метров на околоземной орбите. На то, чтобы вывести километровую махину за пределы гравитации Земли, потребуется много пусков тяжелых грузовых ракет, которые еще предстоит построить. Добыча «строительных материалов» для станции на Луне или в поясе астероидов также пока что происходит только в теории.
Гравитационная магия
Под конец поговорим той магической технологии, которую мы видим в фильмах и компьютерных играх. Внутри космического корабля люди и инопланетяне ходят по полу, как по поверхности планеты, независимо от размеров и движения корабля, без каких-либо видимых устройств.
Технология, стоящая за этим, никогда не объясняется. Более того, в «космической опере» искусственная гравитация — это самая надежная система, последнее, что выходит из строя при повреждении корабля. Корабль может потерять щиты, оружие, двигатели и половину корпуса, но предметы на нем все равно будут падать на пол.
Как мы видим, создание такой силы пока что совершенно невозможно и необъяснимо с научной точки зрения.
Как правило, авторы фантастики забывают, что наличие такой антигравитации или возможности создавать силу тяжести по желанию принципиально изменит мир технологий.
Если у нас есть генератор силы притяжения, то использовать его только для удобства экипажа космического корабля — это расточительнее, чем забивать гвозди микроскопом. Только подумайте о возможностях! Такой генератор гравитации может служить двигателем для любого космического корабля, не нужны больше сопла и запасы энергии: можно просто создать вектор силы притяжения в нужном направлении. В мире, где покорена гравитация, не нужен будет никакой другой вид транспорта, достаточно просто уменьшить силу тяжести и полететь в нужном направлении. Не понадобятся транспортные системы, погрузчики и манипулятора, все будет летать само собой. В этом плане весьма наивно смотрится фильм «Чужие» Джеймса Кэмерона, где на борту космического челнока все ходят, как на Земле, но для погрузки оборудования нужны вилочные погрузчики.
Более продвинутые авторы уже нашли объяснение. Например, можно сказать, что искусственная гравитация - чрезвычайно энергоемкий или слабо управляемый инструмент. То есть создать поле на одной палубе корабля можно без особых затрат, а вот использовать его в качестве двигателя корабля не нужно, поскольку существуют другие виды космических двигателей.
«Твердая» фантастика старается избегать искусственной гравитации из ниоткуда. Как правило, в произведениях, стремящихся к научности, сила тяжести является либо результатом вращения корабля и среды обитания, либо линейного ускорения.
Заключение
Вот так вот выглядит краткий обзор силы тяжести и способов ее имитировать в космосе.
Пока что мы продолжаем изучать невесомость и ее влияние на живые организмы, но когда-нибудь нам понадобится и огромная вращающаяся сфера для жизни колонистов в межпланетном путешествии.
Существует еще одна возможность – менять не только конструкцию наших кораблей, но и тела самих астронавтов. Создать человечество, генетически приспособленное к жизни в условиях невесомости. Но это уже совсем другая тема.
Как вы думаете, увидим ли мы такие космические станции? Напишите в комментариях.
Канал «Феи / Роботы / Пришельцы» можно читать на Дзен, в Телеграмеи ВКонтакте. Аудиоверсия подкаста доступна на сервисах Яндекс.Музыка, Apple Podcasts, Google Podcasts и в подкастах ВКонтакте. Видео-версию смотрите на канале YouTube.
Поддержать канал можно на сервисе Boosty по ссылке в описании.
Оставляйте комментарии и ставьте оценки. Не забудьте подписаться на канал, чтобы не пропустить новые выпуски. Скоро увидимся!
