Zapraszamy do lektury opracowania na temat sztucznej grawitacji: problemów związanych z optymalizacją kształtu urządzeń ją imitujących, różnicy między zachowaniem się obiektów we właściwym polu grawitacyjnym a tym sztucznym oraz efektów, jakie wywołuje ona w organizmie.
Ludzie w swoim naturalnym środowisku przyzwyczajeni są do odczuwania, w przybliżeniu, stałej siły ciążenia działającej „w dół”. Mówiąc bardziej naukowo, na powierzchni Ziemi człowiek znajduje się w polu grawitacyjnym, które w tej skali można uznać za jednorodne, a wektor siły przyciągania ziemskiego zwrócony jest w stronę środka masy naszej planety. Jednak już w długich lotach kosmicznych brak ciążenia może być uciążliwy dla załogi. Nie tylko wywołuje on dyskomfort, problemy ze snem i ogólne poczucie dezorientacji, ale także może powodować tragiczne w skutkach zmiany w organizmie.
Stacja kosmiczna Von Brauna / Grafika: Chesley Bonestell
Od wielu lat kwestie związane ze sztuczną grawitacją i skutkami jej działania na człowieka są dogłębnie badane. Już w 1883 roku, dekady przed początkami programów kosmicznych, Konstantyn Ciołkowski rozważał różne sposoby na zapewnienie możliwości stworzenia habitatów w przestrzeni kosmicznej, na których komfort życia mógłby być zbliżony do tego na Ziemi. W swojej książce „Свободное пространство” (ros. Wolna przestrzeń) zamieścił on rysunek prostej, obrotowej konstrukcji mającej imitować ciążenie za pomocą siły odśrodkowej.
W roku 1928 Hermann Noordung, słoweński uczony, przedstawił szczegółowy plan stacji kosmicznej z modułem symulującym grawitację, oparty o wizję Hermanna Obertha. Noordung zmarł w 1929 roku, a zainspirowany jego pracą Wernher von Braun zaprojektował stację w postaci dysku o średnicy 76 m, mającą okrążać Ziemię na wysokości 1730 km nad jej powierzchnią. Habitat miał rotować z szybkością 3 RPM (ang. obrotów na minutę), co dałoby przyspieszenie odśrodkowe o wartości 0,3 g (tj. około 3 m/s^2). Jak się później okazało, planowana orbita znajdowałaby się w nieznanym wówczas pasie van Allena, który nie nadaje się do zamieszkania ze względu na bardzo wysoki poziom promieniowania korpuskularnego.
W latach pięćdziesiątych XX wieku, już po śmierci Ciołkowskiego, zespół prowadzony przez Siergieja Korolewa rozpoczął prace nad pojazdem do podróży międzyplanetarnych. Heavy Interplanetary Manned Vehicle (ang. Ciężki międzyplanetarny pojazd załogowy) miał pomieścić trzy osoby i posiadać moduł obrotowy o średnicy 6 metrów. Skonstruowanie tego statku kosmicznego planowano wówczas na 1962-1965, lecz w latach sześćdziesiątych Związek Radziecki zaczął kłaść szczególny nacisk na swoistą pogoń za amerykańskim programem Apollo. Niemniej jednak Korolow nie spoczął w swych wysiłkach, by urzeczywistnić wizje na temat sztucznej grawitacji i przetestować ją. Nadarzyła się ku temu okazja podczas planowania pierwszych misji Voskhod – po wejściu pojazdu na orbitę planowano rozłączyć dwa moduły, pozostawić je połączoną tylko za pomocą liny i wprawić w ruch obrotowy. Niestety, po nieoczekiwanej śmierci Korolowa w roku 1966, porzucono projekt.
Konstrukcje mające wytwarzać sztuczną grawitację są również popularnym motywem w popkulturze. Słynnym przykładem jest Space Station V z „2001: Odysei kosmicznej”, stacja kosmiczna, której projekt został oparty na pracach von Brauna i Noordunga. Ciekawą wizję przedstawiono także w „Interstellar”; Stacja Coopera została stworzona na bazie cylindra O’Neilla opisanego w „The High Frontier: Human Colonies in Space”, książce tego fizyka z 1976 roku. Konstrukcja miałaby się składać z dwóch cylindrów o promieniu 4 km i długości 32 km, obracających się w przeciwnych kierunkach, by ułatwić utrzymanie pożądanej orientacji wobec Słońca.
W celu wytworzenia sztucznej grawitacji w przestrzeni kosmicznej, dana stacja lub statek musi posiadać rotujący moduł. Przyspieszenie odśrodkowe imituje w takim wypadku to grawitacyjne na Ziemi, jeśli szybkość obrotowa i promień okręgu będą odpowiednio dobrane. Ważnym aspektem podczas projektowania owego modułu jest wielkość zwana gradientem przyspieszenia grawitacyjnego; pojęcie to oznacza o ile zmienia się wartość przyspieszenia na jednostkę odległości różnicy od osi obrotu. Oczywiście, by zapewnić jak największe podobieństwo do grawitacji odczuwanej przez ludzi na Ziemi, pożądane są jak najmniejsze wartości gradientu, lecz by to osiągnąć należałoby zwiększyć promień krzywizny modułu obrotowego, a przez to również jego rozmiary. Zatem projektując urządzenie imitujące pole grawitacyjne konstruktorzy są zmuszeni pójść na kompromis pomiędzy możliwościami technologicznymi (np. jak dużą strukturę mogą wynieść w kosmos) i budżetowymi przedsięwzięcia a bardziej pożądanymi parametrami sztucznego przyciągania.
Reprezentacja graficzna upuszczenia piłki w module obracającym się przeciwnie do ruchu wskazówek zegara
Warte rozważenia jest to, dlaczego nazywamy to zjawisko sztuczną grawitacją. Po pierwsze, ludzkość nie jest w stanie (jeszcze?) wytwarzać, ani kontrolować grawitacji, a więc siła, którą odczuje człowiek poddany działaniu tej sztucznej, nie będzie siłą ciążenia. Po drugie, zachowanie obiektów w „polu” sztucznej grawitacji odbiega czasem od tego, do czego jesteśmy przyzwyczajeni na Ziemi. Głównym powodem tych różnic jest przyspieszenie Coriolisa, które działa na ciało zmieniające odległość od osi obrotu układu, w którym się znajduje. Rozważa się przede wszystkim dwie sytuacje: wolny spadek oraz podskok. W przypadku wolnego spadku obiektu, np. gdy astronauta upuszcza piłkę, którą trzyma na wysokości głowy, obiekt upadnie na podłogę „opóźniony”, tzn. jeśli moduł obraca się przeciwnie do ruchu wskazówek zegara, a astronauta znajduje się w okolicach godziny 6, piłka upadłaby gdzieś po godzinie 6. Natomiast gdyby ten astronauta podrzucił piłkę z poziomu podłogi wprost w górę, zakładając ten sam kierunek obrotu modułu, uderzyłaby ona o podłoże „wyprzedzając” punkt, z którego została wyrzucona, czyli przed godziną 6. To, gdzie dokładnie obiekt upadnie w obu przypadkach zależy przede wszystkim od wartości przyspieszenia Coriolisa, proporcjonalnego do prędkości obiektu wobec układu i prędkości obrotowej modułu, a także wymiarów samej części obrotowej stacji. Innym szczegółem różniącym sztuczną grawitację od prawdziwej jest to, jak odczuwane jest przechodzenie po linii prostej przez oś obrotu modułu pseudograwitacyjnego – zbliżając się do tej osi ze stałą szybkością, astronauta odczuwa to, jakby szedł pod górę o zmniejszającym się nachyleniu, a kiedy ją minie – jakby z tej góry schodził. Dzieje się tak z tego powodu, że redukując odległość od osi obrotu, na ciało człowieka będzie działać mniejsza siła odśrodkowa, natomiast siła Coriolisa będzie nadal taka sama, stąd uczucie ciążenia w jednym kierunku, nawet w momencie, gdy astronauta będzie znajdował się w osi obrotu.
Reprezentacja graficzna podskoku astronauty w module obracającym się przeciwnie do ruchu wskazówek zegara
Widok od boku sytuacji z drabiną
Reprezentacja sytuacji z drabiną w odczuciu astronauty wchodzącego po niej
Kluczową kwestią jest to, jak pseudograwitacja wpływa na organizm ludzki. Gradient przyspieszenia, o którym była mowa wcześniej, odgrywa ważną rolę w sposobie, jak sztuczne ciążenie odczuwa astronauta; im on większy, tym znaczniejsze różnice między siłą odśrodkową działającą na części ciała znajdujące się w różnych odległościach od osi obrotu. Istotnym jest, by stopy odczuwały podobne przyspieszenie, co głowa. Ma to ogromne znaczenie przede wszystkim dla poprawnego działania układu krążeniowo-oddechowego. Badania osób, które powróciły z przynajmniej kilkudniowego pobytu poza Ziemią, wskazują że już po paru dobrach spada hematokryt i zmniejsza się ogólna objętość krwi – nawet do 10%. Kolejnym aspektem wartym uwagi jest wpływ działania modułu pseudograwitacyjnego o małym promieniu na mózgowie. Po pierwsze, przez obecność przyspieszenia Coriolisa powoduje zaburzenia równowagi – móżdżek odczuwa siłę ciążenia, której wektor nie jest skierowany prostopadle do podłogi. Po drugie, częste ruchy głowy, kiedy ciało poddane jest działaniu obrotowej sztucznej grawitacji, mogą powodować upośledzenie funkcji poznawczych.
Pomimo wymienionych negatywnych skutków oddziaływania pseudograwitacji na organizm ludzki, ma ona także zbawienne skutki podczas długich pobytów w przestrzeni kosmicznej. Przy połączeniu sesji w module grawitacyjnym i regularnych treningów, ciało dużo lepiej znosi powrót na Ziemię. Jak wynika z badań, dużo lepsze efekty przynoszą krótkie, przeplatane przerwami na regenerację, sesje w przyspieszeniu 2g lub 3g niż dłuższe ciągłe pobyty w 1g.
Wiele razy mówiło się o utworzeniu stacji lub statku kosmicznego, który miałby zapewnić namiastkę ciążenia. Najciekawsze pomysły, które nie wyszły poza zaawansowany poziom realizacji to np. ISS Centrifuge Demo (zaproponowany przez NASA w 2011 roku moduł do ISS o promieniu 18 metrów będący w stanie wytworzyć przyspieszenie odśrodkowe do 0.51g, miałby służyć jako sypialnia), Mars Gravity Biosatellite (propozycja misji, której celem byłoby badać skutki poddania ssaków przyspieszeniu takiemu, jakie występuje na Marsie – 0.38g; 15 myszy miałoby zostać umieszczonych w module pseudograwitacyjnym na 5 tygodni na niskiej orbicie okołoziemskiej, a następnie powróciłyby one do badań na powierzchni naszego globu; pomysł upadł z powodu braku środków)
Harmonogram badań nad pseudograwitacją na ISS
O ile wiele faktów na temat nieważkości i pseudograwitacji jest już znanych, o tyle wciąż nie wiadomo wystarczająco dużo, by w pełni możliwości zapobiec negatywnym skutkom ewentualnej długiej podróży międzyplanetarnej. Nadal trwają prace na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej na temat braku ciążenia lub sztucznego jego substytutu, które są zaplanowane do 2024 roku, i jak pisaliśmy w niedawnym artykule o rozważanej komercjalizacji ISS, jest bardzo możliwe, że nie uda się ich ukończyć w terminie.
Źródła:
[1] Hall T. “Inhabiting Artificial Gravity”. AIAA Space Technology Conference. 1999
[2] Clément G. “International roadmap for artificial gravity research”. Nature.com, November 2017
Ważne: artykuł chroniony prawem autorskim, co oznacza że wszelkie prawa, w tym Autorów i Wydawcy są zastrzeżone. Zabronione jest dalsze rozpowszechnianie tego artykułu w jakiejkolwiek formie bez pisemnej zgody ze strony właściciela serwisu Kosmonauta.net – firmy Blue Dot Solutions. Napisz do nas wiadomość z prośbą o wykorzystanie. Niniejsze ograniczenia dotyczą także współpracujących z nami serwisów.
17 komentarzy
Stwierdzenie “zmniejsza się ogólna objętość krwi – nawet do 10%” jest nieprecyzyjne.
Podejrzewam, że spadek objętości krwi do 10%, czyli do ilości ok pół litra, może nastąpić po śmierci astronauty, ale raczej nie wcześniej.
Napisałbym jaśniej, albo że to zmiana może wynieść 10% wartości wyjściowej, albo że o 10% zmniejszy się objętość.
Na początku zapewne faktycznie mózg miałby problemy z adaptacją do tego że na poziomie głowy obowiązuje nieco “inna” fizyka niż na poziomie nóg (wspomniana siła Coriolisa). Ale możliwości adaptacyjne mózgu są bardzo duże, skoro można się nauczyć chodzenia w okularach które odwracają “góra-dół”. O ile nie rzucalibyśmy piłką (jak w podanych przykładach) poszło by to prawdopodobnie szybko. Problem z tym że zapewne często astronauci musieliby przechodzić z habitatów z jakimśtam ciążeniem do nieważkości (EVA np). A takie przestawianie się nie jest zdrowe, o czym wie każdy kto próbował pływać na rozkołysanej łódce..
Problem z działaniem całości jak żyroskopu można by rozwiązać dając dwa – przeciwnie rotujące pierścienie. A przynajmniej dwa obiekty o takim samym momencie pędu. Ale to prawdopodobnie byłoby droższe.
Cieszy mnie twój optymizm. Rzecz trzeba po prostu sprawdzić. Myślę jednak że pierwsze statki będą wprawiane w ruch w całości z habitatami na wyciągniętych ramionach. Nie ryzykowałbym za pierwszym razem łożysk mających działać przez kilka lat. Lepiej byłoby rotować w przeciwnym kierunku ramiona z takimi komponentami jak anteny łączności czy teleskopy.
Propozycja dwóch przeciwważnych modułów jest dobra z punktu widzenia całego statku. Ale łożyska na których obracałyby się moduły wciąż musiałyby przenosić siły prostopadłe do osi obrotu więc nadal wstrzymałbym rotację przed zmianą orientacji statku.
Bez poważnych prac konstrukcyjnych na orbicie się nie obędzie żeby to wszystko sprawdzić. Szkoda że plany LOP-G to kilka puszek (nawet nie balonów od Bigelow) na orbicie Księżyca gdzie astronauci będą mogli dostać raka bez odpowiedniej osłony przeciwpromiennej. I jesteśmy na to skazani przez następne 10 lat kiedy będą tą nędzę składać i następne 20 lat użytkowania.
Nie wiem czy ten prywatny Kickstarter on podobnej nazwie (Gateway Foundation) mający zbudować karuzelę na orbicie wypali ale to jedyna w miarę praktyczna propozycja. Bardzo liczą na współpracę ze SpaceX i duży udźwig BFR. Zobaczymy.
Wszystko w rękach prywatnych firm. NASA zdaje się złożyła broń.
Świetny artykuł i od razu jest dyskusja – gratulacje.
Jak widać ciągle są niby proste, ale jednak jeszcze nierozpoznane zagadnienia.
Jakoś tak się składa, że ten temat pojawia się coraz częściej. W nieco bardziej ścisłym (ale tylko trochę)
ujęciu, można sobie o tym poczytać w artykule w sierpniowej Delcie:
http://www.deltami.edu.pl/temat/fizyka/grawitacja_i_wszechswiat/2018/07/22/Problemy_sztucznej_grawitacji/
Polecam jak uzupełnienie.
PS. Pozdrawiam CamelXP, który napisał “zabużanie” – pewnie ma kogoś w rodzinie z kresów i tak mu się napisało.
Ja również pozdrawiam i proszę, abyś zwrócił / zwróciła uwagę, iż wytknięty przez Ciebie błąd znajduje się w cytowanym przeze mnie fragmencie wypowiedzi kogoś innego 🙂
Nie chce mi się wierzyć, że brak ciążenia (z małymi 3g) jest lepszy niż pseudograwitacja. Nie było przecież prawdziwych testów tego na ludziach. Przecież PsG na pewno można udoskonalić tak aby skutki negatywne były mniej odczuwalne (np. tworzeniem “podłogi” pod pewnym skosem, po drugie umysł ludzki się szybko adaptuje i jestem pewna że tak by było w przypadku PsG. Ponadto pseudograwitacja ułatwia wiele innych procesów począwszy od prac mechanicznych po wzrost roślin – wszystko to co wymagało opracowania specjalnych narzędzi do stosowania w mikrograwitacji. Poważniejszym problemem natomiast wg mnie było by stałe zabużanie punktu środka ciężkości układu – np. przez przemieszczanie się astronautów – trzeba by było opracować jakąś automatycznie działając przeciwwagę w trzech osiach. Drugim problem byłby napęd. Cały statek gdyby się obracał miałby sporo trudność skorygować tor lotu. Z kolej gdyby moduł pędny był niezależny trzeba by było utworzyć jakieś bardzo dobre łożyska, które by nie ścierały się w próżni.
“umysł ludzki się szybko adaptuje i jestem pewna że tak by było w przypadku PsG” – tym bardziej, że na w kosmos, póki co, latają ludzie po wielomiesięcznych treningach, więc zapewne można ciało i umysł tak wytrenować, żeby sobie z tym poradził.
“Ponadto pseudograwitacja ułatwia wiele innych” – wreszcie astronauci będą mogli normalnie wziąć prysznic 😉
“Poważniejszym problemem natomiast wg mnie byłoby stałe zabużanie punktu środka ciężkości układu ” – też mnie to zawsze zastanawiało, praktyczniejszy byłby ciekły balast przepompowywany między zbiornikami umieszczonymi na obwodzie struktury, rzecz jasna automatycznie.
“Drugim problem byłby napęd. Cały statek gdyby się obracał miałby sporo trudność skorygować tor lotu” – w epoce komputerów i automatyzacji żaden problem.
“Z kolej gdyby moduł pędny był niezależny trzeba by było utworzyć jakieś bardzo dobre łożyska, które by nie ścierały się w próżni.” – to też nie problem, o ile założymy, że nie ma hermetycznego połączenia pomiędzy rotującym, a stałym modułem.
“Drugim problem byłby napęd. Cały statek gdyby się obracał miałby sporo trudność skorygować tor lotu” – w epoce komputerów i automatyzacji żaden problem.
Problem nie stanowiłaby kontrola tylko moment bezwładności statku. Rotujący moduł działałby jak żyroskop, opierając się zmianie płaszczyzny obrotu. Najbardziej praktycznym rozwiązaniem byłoby zastopowanie rotacji, wykonanie manewru zmiany położenia osi statku i ponowne uruchomienie rotacji. Jeśli zakładać że moduł rozkręcałoby się za pomocą silników manewrowych na obwodzie to koszty w paliwie mogłyby być znaczne. Ale i tak lepiej niż wprowadzać cały statek w ruch obrotowy.
To prawda, z tym że taki statek najpierw wprowadzałoby się na kurs w stronę Marsa, a dopiero później wprawiało w ruch obrotowy. Prze większość lotu statek nie wykonywałby żadnych manewrów.
W sumie prawda. Mniejsze statki z początku ery kosmicznej rotowały wolno dookoła swojej osi żeby równomiernie rozkładać efekty ogrzewania Słońcem (“tryb barbecue”). Podejrzewam że większy statek musiałby sobie radzić aktywnym chłodzeniem ze skomplikowaną hydrauliką i radiatorami. To zwłaszcza ważne jak masz paliwo kriogeniczne bo nagrzany wodór się rozpręża i trzeba upuścić ze zbiornika bo może go rozsadzić. A z drugiej strony loty w kierunku Marsa miałyby mniejszy z tym problem bo naświetlenie słabłoby w miarę podnoszenia się na orbicie okołosłonecznej.
Rozumiem, albo i nie, iż w przypadku małych średnic takich cylindrów rotacyjnych różnica w “g” przy stopach a przy głowie astronauty nie będzie miała wpływu na zdrowie?
Mdłości i zawroty głowy. Zabić nie zabije ale może rozbroić doszczętnie. Błędnik odbiera sygnały jak przy symulowanej grawitacji na poziomie głowy – cała reszta ciała dla innego ciążenia, wzrastającego w miarę jak zbliżasz się do nóg. Mózg sobie nie radzi.
a co z krążeniem?
Z krążeniem pewnie o niebo lepiej niż w zerowej grawitacji. Problem jest taki że oprócz eksperymentów na bardzo małą skalę na ISS nie mamy żadnych miarodajnych danych z długiej ekspozycji człowieka na pseudograwitację. Po prostu nikt nie zbudował takiego statku / stacji. W założeniu powinno to pomóc ale organizmy biologiczne są skomplikowane. Może poprawiłoby sytuację z odwapnieniem kości i słabnącym sercem ale na dłuższą metę może byłyby jakieś subtelne efekty uboczne. Eksperymentować, eksperymentować i jeszcze raz ekperymentować jak mawiał Lenin 😛
Słabą stroną konstrukcji biglowe jest wrażliwość na kosmiczne śmieci. Taki moduł zapewne łatwiej przebić niż sztywny kadłub ISS.
Michał—Okazało się ,że materiał ” kewlar ” jest bardziej odporny na te kosmiczne śmieci niż te Aluminiowe Moduły metalowe. Badali ten BAM Bigelow na ISS i to stwierdzili. Co do tego Rdzenia środkowego ,Modułu z tymi dwoma pierścieniami zewnętrznymi Mobilnymi do których są przymocowane liny do B-330 ,to ten Moduł Stały z przodu może mieć Doki -Cumy do przycumowania tych wszystkich Kapsuł które wymieniłem ,a z tyłu może mieć Silniki do zmieniania Orbity i utrzymania się na niej i w ten sposób ta Stacja z dwoma Rotującymi Modułami B-330 Może się stać Stacją Samodzielną z pomieszczeniami 660m3 dla 8-Załogi z 1-g. jak na Ziemi. ta stacja mogła by być na LEO ,jak i na Orbicie Księżyca i Marsa.
Czytałem kiedyś że NASA chce umieścić na ISS w 2020r. Moduł dmuchany Firmy Bigelow B-330 na miejsce BAM -u tej Firmy. Proponuję tanią Rakietą wysłać 2 B-330 i Moduł Środkowy tego układu z dwoma Zewnętrznymi Pierścieniami swobodnie Mobilnymi . Ten Moduł jest Dokowany w osi głównej stacji . Po dostarczeniu 2 Modułów B-330 na Stację ISS są one mocowane do 2 pierścieni Mobilnych tego Modułu do adapterów na przeciw siebie .Na tych Pierścieniach są też obok tych Adapterów Elektryczne Kołowrotki z 2-ma linami stalowymi każdy .Liny są mocowane do Rdzeni głównych, stałych ,środkowych Modułów B-330 od strony ich Paneli Słonecznych. Środek Modułów po Rozparciu B-330 ma Układ 3 Kondygnacji Pionowych każdy, i tak od strony paneli Kondygnacja z Pokojami i sypialniami dla 4 Astronautów. Wyposażenie poszczególnych Kondygnacji znajduje się w Rdzeniu środkowym i po rozparciu Modułów do stanu Roboczego z tego rdzenia są przesuwane do pomieszczeń danej kondygnacji i po urządzeniu wszystkich , rdzeń środkowy robi się klatką Schodową do poruszania się po piętrach. Po kondygnacji Sypialni i pokojów Załogi , w środkowym piętrze znajdują się: Kuchnia, Jadalnia, Łazienka ,WC . 2 -gie piętro to Laboratoria i pomieszczenia Wspólne ,oraz Cuma -Dok w podłodze Rdzenia Środkowego Stałego. Taki Moduł B-330 idzie zobaczyć na Stronie tej firmy. Po nadmuchaniu dwu Modułów B-330 do stanu roboczego ,są one uwalniane z Adapterów Równocześnie i na 2-Linach każdy, są Moduły swoimi silniczkami Korekcyjnymi oddalane na 200 m. od Modułu z Pierścieniami i wprowadzane w ruch Obrotowy na przeciw siebie aby uzyskać w ich środku dla Załogi sztuczną ziemską Grawitację 1-g.,Sterowanie komputerowe. Pierścień obrotu tych modułów ,jego średnica ,wynosi 400 m. i ruch obiegowy będzie stosunkowo mały ,co nie powinno być wielkim utrapieniem dla Załogi w utrzymaniu Równowagi ,za to komfort życia ziemskiego w Kosmosie w 1-g. jest tą znaczną Zaletą. Komunikacja i wymiana Załóg pomiędzy tymi obracającymi się Modułami odbywa się wszystkimi Kapsułami już istniejącymi i tymi wchodzącymi do Gry ,jak Dragon v2, CST-100, Orion, Sojuz itd.