Искусственная гравитация на космической станции: наступит ли будущее в 2025 году? / Хабр |

Содержание

наступит ли будущее в 2025 году? / Хабр

Визуализация орбитальной станции Voyager. Источник: Orbital Assembly Corporation

В январе 2021 года Orbital Assembly Corporation (OAC) анонсировала свой амбициозный проект по созданию первой коммерческой орбитальной станции с искусственной гравитацией Voyager. Строительство начнется в 2025 году и ориентировочно через 5 лет станция должна принять первых туристов.

О проекте

Voyager представляет собой кольцо диаметром 200 м. Искусственная гравитация достигается вращением с определенной угловой скоростью. В анонсированном проекте сила притяжения на станции будет такая же, как на Луне. Ширина станции составит 20 м.

Особенность проекта Orbital Assembly Corporation – его коммерческая направленность. Помимо использования станции для научных исследований, ее создатели планируют вплотную заняться космическим туризмом: на Voyager разместят 24 жилых модуля. По словам авторов, искусственная гравитация позволит функционировать даже душевым кабинами. Кроме этого, каждый жилой модуль будет снабжен отдельным шлюзом для выхода в открытый космос. Общая вместимость станции – 400 человек.

Для туристов будут доступны тематические залы, рестораны и бары, кинотеатры, спа-салоны, концертные площадки и прочие, вполне земные, развлечения. Но чтобы прийти ко всему этому, потребуется еще очень многое.

Планы и проблемы

На конференции 29 января генеральный директор OAC Джон Блинкоу рассказал, что на первом этапе будет создан прототип станции диаметром 61 м. Причем корпорация уже запатентовала робота, который займется сборкой непосредственно на орбите: в данный момент проводятся пусконаладочные работы. Прототип будет использован в качестве испытательной площадки для проверки теорий и проведения экспериментов, которые позволят приступить к строительству Voyager.

На официальном сайте корпорации не указана итоговая стоимость проекта. Чтобы уменьшить финансовую нагрузку, в OAC решили привлечь инвесторов и выпустили акции, которые может приобрести любой желающий по цене 25 центов за штуку. Пока их количество ограничено 4 млн., соответственно итоговая стоимость акций – 1 млн. долларов. Но эта сумма – лишь малая часть стоимости всего проекта.

Одна из существенных статей расходов – доставка частей станции на околоземную орбиту. В данный момент при использовании ракет-носителя Falcon 9, транспортировка 1 кг груза обойдется в 2000$. Если ему на смену придет Starship, то стоимость можно будет уменьшить до нескольких сотен долларов. Но учитывая проектную массу станции Voyager, которая составит примерно 2500 тонн, в обоих случаях сумма получается немаленькой – 5 млрд. и 500 млн. долларов соответственно (если принять цену доставки 1 кг кораблем Starship за 200$).

Помимо доставки, средства необходимы для разработок, проведения экспериментов, создания прототипа, материалы и т. д. Учитывая позиционирование Voyager как первого «отеля на орбите», который должен сделать космический туризм доступнее, было бы любопытно узнать стоимость пребывания на станции, а заодно расчеты по самоокупаемости, если таковые есть. Учитывая сегодняшние расценки на частные полеты в космос – порядка 250 000 долларов – этот вид отдыха доступным назвать никак нельзя.

Итого

Проект станции Voyager выглядит красиво и амбициозно. На его реализацию у создателей есть еще около 9 лет. Идея о том, что уже совсем скоро на орбите появится корабль, куда может отправиться любой «условный» желающий, поневоле завораживает. Но если углубиться в финансовые расчеты и взять во внимание нереализованные космические проекты, перспектива уже не становится такой радужной. Верить в возможность создания станции Voyager в ближайшее десятилетие – личное дело каждого, а время все расставит по своим местам.

от «Космической одиссеи» Кубрика до античастицы

Олег
Сабитов

Новостной редактор

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.

НАСА сравнила астронавтов-близнецов, чтобы увидеть, как тело человека меняется в космосе

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.

Врезка

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.

Концепция аппарата, создающего центростремительное ускорение для имитации гравитации

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.

Чтобы избежать этого эффекта, размер корабля должен в несколько раз превышать размер футбольного поля — вывод такого аппарата на орбиту будет стоить крайне дорого, учитывая, что стоимость одного килограмма груза при коммерческих запусках варьируется от $1,5 тыс. до $3 тыс.

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.

Врезка

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.

Предполагалось, что проект будет стоить всего $3,7 млрд — очень мало для подобных аппаратов, — а на его строительство потребуется 64 месяца. Однако Nautilus-X так и не вышел за рамки первоначальных чертежей и предложений.

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: объяснение технологии будущего

(Изображение предоставлено: Getty Images)

Искусственная гравитация — это создание силы инерции в космическом корабле для имитации силы гравитации. Эта концепция часто встречается в научно-фантастических шоу, таких как «Звездный путь», но не ограничивается ими, и исследователи в настоящее время работают над методами создания искусственной гравитации в космосе.

Создание искусственной гравитации не только упростило бы следующую эру освоения космоса, сделав задачи более простыми, но также имело бы решающее значение для потенциального космического туризма.

Влияние микрогравитации в космосе на самом деле может быть вредным для людей, поэтому, когда мы рассматриваем более длительные миссии с экипажем, включая путешествия на Марс, искусственная гравитация может иметь важное значение для здоровья наших астронавтов.

Родственный: Является ли происхождение самой гравитации темной материи?

Создание искусственной гравитации

В своей специальной теории относительности 1905 года Альберт Эйнштейн писал, что гравитация и ускорение на самом деле неразличимы. Это означает, что в ракете, летящей в 31.19футов в секунду (9,81 метра в секунду ) в квадрате — нисходящее ускорение силы тяжести здесь, на Земле — космонавт почувствует, что его тело приковано к полу, как на его родной планете.

Проблема в том, что вы не можете постоянно ускоряться с такой скоростью в космосе, особенно на орбитальной космической станции. К счастью, существует более одной формы ускорения, и, используя центробежную силу, мы можем создать нечто, эквивалентное гравитации на Земле.

Одним из возможных способов создания искусственной гравитации в космосе является использование технологии, называемой цилиндром О’Нила. Названный в честь физика, предложившего их, Джерарда О’Нила, он состоит из пары массивных цилиндров, которые вращаются в противоположных направлениях, что позволяет им постоянно быть направленными к солнцу, имитируя гравитацию.

Джефф Безос, владелец компании по исследованию космоса Blue Origin, предложил цилиндры О’Нила в качестве основы плавучих космических колоний, позволяющих триллионам людей жить на орбите.

Помимо того, что они далеки от любого практического применения, 20 миль (32,2 км) в длину и 4 мили (6,4 км) в диаметре — рассчитаны на размещение нескольких миллионов человек — цилиндры О’Нила слишком велики для большинства приложений меньше, чем колонии в космосе.

Исследователи из Университета Боулдера в Колорадо предложили меньший масштаб — вращающиеся системы, которые могли бы поместиться в отсеках космического корабля.

Испытание центрифуги, позволяющей астронавтам ненадолго вернуться к земной гравитации. (Изображение предоставлено Университетом Колорадо в Боулдере)

(открывается в новой вкладке)

Хотя это не обеспечит искусственную гравитацию для всего корабля или станции, это позволит космическим путешественникам отступить в определенную область и провести некоторое время, испытывая гравитационное поле больше похоже на земное.

Система также использует центробежное ускорение, воспроизводя гравитационное поле силой 1G — такое же, как на Земле — с астронавтами, лежащими на центрифуге с коротким радиусом для быстрого вращения.

Истории по теме

Однако вращающиеся астронавты могут быть не идеальным решением. Любой, кто слишком много раз катался на чайных чашках, может сказать вам, что этот метод имеет свои последствия для здоровья.

Еще одна потенциальная конструкция для создания искусственной гравитации — это длинное вращающееся палкообразное транспортное средство диаметром около 100 метров с ядерным реактором на одном конце и отсеком для экипажа на другом для путешествий на Марс. Однако у них были технические проблемы, препятствующие их применению.

Влияние микрогравитации на здоровье

Астронавт НАСА Карен Найберг использует устройство для проверки здоровья глаз, на которое может повлиять микрогравитация. (Изображение предоставлено НАСА)

Создание искусственной гравитации может стать ключом к защите здоровья астронавтов в долгосрочных космических миссиях. В течение пяти десятилетий Программа исследований человека НАСА (HRP) изучала влияние микрогравитации на организм человека.

Они обнаружили, что лишенные гравитации Земли несущие кости теряют в среднем от 1 до 1,5% минеральной плотности каждый месяц космического полета. Мышечная масса теряется быстрее в условиях микрогравитации, чем на Земле.

В дополнение к этим факторам, во время космического полета жидкости в организме человека могут перемещаться вверх, оказывая давление на глаза, что может привести к проблемам со зрением.

Космический отель «Вояджер»

Визуализация вращающейся станции «Вояджер», которая будет поддерживать научные эксперименты, а также функционировать как «космический отель» для туристов. (Изображение предоставлено Orbital Assembly Corporation)

Космическая станция «Вояджер» — это запланированная космическая станция с вращающимся колесом, строительство которой должно начаться в 2025 году. Созданная корпорацией Orbital Assembly Corporation (OAC) «Вояджер» будет отличаться от Международной космической станции. двумя ключевыми способами; он будет открыт для публики и будет иметь искусственную гравитацию.

Выведенный на низкую околоземную орбиту космический отель будет вращаться достаточно быстро, чтобы создать искусственную гравитацию для 400 пассажиров. Если станция будет построена так, как сейчас планируется, она станет самым большим рукотворным сооружением, когда-либо выводившимся на орбиту.

Первые шаги проекта будут включать создание прототипа гравитационного кольца, чтобы улучшить жизнеспособность искусственной гравитации в космосе. Кольцо диаметром 200 футов (61 метр) будет генерировать гравитацию, эквивалентную примерно 40% от земной, или примерно такую же, как гравитация Марса.

Дополнительные ресурсы

Для получения дополнительной информации об искусственной гравитации см. «Искусственная гравитация (откроется в новой вкладке)» Жиля Клемана и Энжи Бакли. Ознакомьтесь с другими проектами искусственной гравитации в Orbital Assembly Corporation (OAC) (откроется в новой вкладке).

Библиография

НАСА, «Искусственная гравитация (открывается в новой вкладке)», март 2021 г.
НАСА, «Человеческое тело в космосе (открывается в новой вкладке)», февраль 2021 г. Искусственная гравитация в теории и на практике (открывается в новой вкладке)», 46-я Международная конференция по экологическим системам, июль 2016 г.
Национальное космическое общество, «Космическое поселение цилиндров О’Нила (открывается в новой вкладке)», по состоянию на май 2022 г.
Национальное космическое общество, «Космическое поселение Стэнфорд Тор (открывается в новой вкладке)», по состоянию на май 2022 г. Орбитальная сборка, «Опыт космической гравитации здесь (открывается в новой вкладке)», по состоянию на май 2022 г.
Николас Мартеларо, «Приведение в действие Стэнфордского тора (открывается в новой вкладке)», Стэнфордский университет, май 2017 г.

Присоединяйтесь к нашим космическим форумам, чтобы продолжать обсуждать последние миссии, ночное небо и многое другое! А если у вас есть новость, исправление или комментарий, сообщите нам об этом по адресу: community@space. com.

Роберт Ли – научный журналист из Великобритании, чьи статьи были опубликованы в журналах Physics World, New Scientist, Astronomy Magazine, All About Space, Newsweek и ZME Science. Он также пишет о научной коммуникации для Elsevier и European Journal of Physics. Роб имеет степень бакалавра наук в области физики и астрономии Открытого университета Великобритании. Подпишитесь на него в Твиттере @sciencef1rst.

Vast Space стремится создать концепцию космической станции с искусственной гравитацией

Космический стартап Vast Space надеется построить космическую станцию, которая вращается для создания искусственной гравитации для посещающих ее астронавтов.
(Изображение предоставлено обширным пространством)

Запуск новой космической станции с искусственной гравитацией в полевых условиях.

Поддерживаемая криптовалютой компания Vast Space объявила о планах создания космических станций с искусственной гравитацией для повышения «человеческой продуктивности» на орбите, как это назвала компания. Компания Vast Space основана Джедом МакКалебом, миллиардером, стоящим за запуском трех крупных криптофирм, таких как биткойн-биржа Mt.Gox.

Критики говорят, что криптовалюта не является стабильной формой финансирования и что лишь немногие люди получают прибыль от обмена цифровых валют. Маккалеб также является основателем некоммерческой организации Astera Institute, которая занимается исследованиями в областях науки и техники с «высокой эффективностью».

«Я всегда верил в использование технологий для снижения неэффективности и улучшения условий жизни людей. Чтобы увеличить количество людей в космосе, мы должны создать технологии, обеспечивающие идеальную устойчивость», — сказал Маккалеб в заявлении компании (открывается в новой вкладке), раскрывающем во время Всемирной недели спутникового бизнеса и Международного астронавтического конгресса 2022 года в Париже в этом месяце.

Связанный: Компания построит частную космическую станцию »Вояджер» с искусственной гравитацией

Vast Space, однако, не предоставила никаких конкретных подробностей в своем пресс-релизе о том, куда они планируют двигаться дальше. Vast заявляет, что «собирает команду мирового класса, одновременно быстро продвигаясь к многочисленным тестам разработки подсистем», что в лучшем случае указывает на то, что технология находится на ранней стадии разработки. (Один из советников — Ганс Кенигсманн, бывший вице-президент в 9 лет.0105 SpaceX .)

В то время как микрогравитация вредна для костей, крови и других систем человеческого тела, искусственная гравитация остается концепцией, которую трудно реализовать на практике — даже несмотря на то, что мы видели ее повсюду в научной фантастике, в классическом кино «2001» и франшиза « Звездный путь », до более поздних фильмов, таких как «Интерстеллар» или «Пассажиры».

Связанный: Автор «Марсианина»: Если мы серьезно собираемся отправиться на Марс, нам нужна искусственная гравитация

Одна из популярных концепций, цилиндр О’Нила, предлагает использовать невероятно массивные цилиндры, вращающиеся в противоположных направлениях, для имитации гравитации . (Джефф Безос, владелец компании Blue Origin, занимающейся исследованиями космоса, входит в число тех, кто предлагает использовать их для плавучих космических поселений.)

Однако, к сожалению, цилиндры О’Нила должны быть впечатляющими: 20 миль (32,2 км) в длину и 4 миль (6,4 км) в диаметре, что слишком велико для наших нынешних технологий. Исследователи из Университета Боулдера в Колорадо предложили вместо этого вращающиеся системы в масштабе комнаты в качестве возможной альтернативы.

Другой стартап, Orbital Assembly Corporation, объявил в прошлом году о планах построить космическую станцию с искусственной гравитацией в 2025 году. В команду компании входят ветераны НАСА и несколько инженеров, как тогда заявила фирма.

Подпишитесь на Элизабет Хауэлл в Твиттере @howellspace (откроется в новой вкладке) . Подпишитесь на нас в Твиттере @Spacedotcom (открывается в новой вкладке) или Facebook (открывается в новой вкладке) .

Элизабет Хауэлл, доктор философии, является штатным корреспондентом на канале космических полетов с 2022 года. Она была автором статей для Space.com (открывается в новой вкладке) в течение 10 лет до этого, с 2012 года. Репортажи Элизабет включают эксклюзив для Office вице-президента Соединенных Штатов, несколько раз выступая с Международной космической станцией, наблюдая за пятью запусками человека в космос на двух континентах, работая в скафандре и участвуя в имитации полета на Марс. Ее последняя книга «Почему я выше?» написана в соавторстве с астронавтом Дэйвом Уильямсом. Элизабет имеет докторскую степень. и магистр наук. получил степень бакалавра космических исследований в Университете Северной Дакоты, степень бакалавра журналистики в Карлтонском университете в Канаде и (скоро) степень бакалавра истории в Университете Атабаски.