Искусственная гравитация на мкс: На МКС впервые появится искусственная гравитация

Почему космонавтам недоступна искусственная гравитация? / Хабр

В космосе, хотя все массы во Вселенной подчиняются силе гравитации, как обычно, не ощущается «верха» и «низа», как на Земле, поскольку космический корабль и всё, что у него на борту, ускоряется гравитацией с одинаковой скоростью.

Если поместить человека в космос, подальше от гравитационных воздействий, испытываемых им на поверхности Земли, он испытает невесомость. Хотя все массы Вселенной продолжат притягивать его, они продолжат притягивать и космический корабль, поэтому человек будет «плавать» внутри. В сериалах и фильмах типа «Звёздный путь», «Звёздные войны», «Боевой крейсер „Галактика“ и множестве других нам всегда показывают, как члены команды стабильно стоят на полу корабля вне зависимости от прочих условий. Это потребовало бы возможности создания искусственной гравитации – но с учётом законов физики в том виде, в котором мы их знаем сегодня, это слишком трудная задача.

Капитан Габриэль Лорка на мостике „Дискавери“ во время симуляции битвы с клингонами. Всю команду притягивает „вниз“ искусственная гравитация – на сегодня технология из области научной фантастики

С гравитацией связан важный урок принципа эквивалентности: равномерно ускоряющаяся система отсчёта неотличима от гравитационного поля. Если вы находитесь в ракете и не можете выглянуть наружу, у вас не будет способа понять, что происходит: вас придавливает „вниз“ сила гравитации или равномерное ускорение ракеты в одном направлении? Эта идея привела к формулированию общей теории относительности, и, спустя более чем сто лет, это самое правильное из известных нам описание гравитации и ускорения.

Идентичное поведение мяча, падающего на пол, в ускоряющейся ракете и на Земле демонстрирует принцип эквивалентности Эйнштейна

Есть ещё один трюк, который мы могли бы использовать: заставить корабль вращаться. Вместо линейного ускорения (разгонной силы ракеты) можно получить центробежное, в котором человек на борту будет чувствовать, как его притягивает корпус корабля. Этим знаменит фильм „2001: космическая одиссея“, и эта сила при достаточно большом корабле была бы неотличима от гравитации.

Но это и всё. Три типа ускорения – гравитационное, линейное и вращательное – единственные в нашем распоряжении силы, оказывающие гравитационное воздействие. И для находящихся на борту космического корабля это большая, большая проблема.

Концепция космической станции 1969 года, которую предполагалось собирать на орбите из использованных ступеней программы „Аполло“. Станция должна была вращаться вокруг центральной оси и порождать искусственную гравитацию.

Почему? Потому, что для путешествия в иную звёздную систему придётся ускорять корабль по пути туда, а по прибытию – замедлять. Если вы не сможете защититься от этих ускорений, вас ждёт фиаско. К примеру, чтобы разогнаться до „импульсной скорости“ „Звёздного пути“, до нескольких процентов от скорости света, пришлось бы выдержать ускорение в 4000 g в течение часа. Это в 100 раз больше ускорения, которое предотвратит ток крови в вашем теле – весьма неприятная ситуация, как ни крути.

Запуск шатла Колумбия в 1992 году показывает, что ускорение ракеты происходит не мгновенно, а длится достаточно долгое время, много минут. У космического корабля ускорение должно было быть гораздо большим, чем может выдержать человеческое тело

Более того, если вы не хотите быть невесомым во время долгого пути, и подвергаться ужасным биологическим эффектам вроде потери костной массы и космической слепоты, необходимо, чтобы на ваше тело действовала постоянная сила. Для других сил, кроме гравитации, это не было бы проблемой. К примеру, для электромагнитного воздействия можно было бы поместить команду в проводящую оболочку и это устраняло бы все внешние электромагнитные поля. А потом внутри можно было бы устроить две параллельные пластины и организовать постоянное электрическое поле, заставлявшее бы заряды двигаться в определённом направлении.

Эх, если бы гравитация работала так же.

Схематическая диаграмма конденсатора, две параллельные проводящие пластины которого имеют одинаковые по величине и разные по знаку заряды, что создаёт между ними электрическое поле

Никаких „гравитационных проводников“ не существует, и от гравитации нельзя защититься. Невозможно создать равномерное гравитационное поле между какими-нибудь пластинами в определённом участке пространства. Причина в том, что в отличие от электричества, создаваемого положительными и отрицательными зарядами, гравитационный „заряд“ бывает одного типа, масса-энергия. Сила гравитации всегда притягивает, и с этим ничего нельзя поделать. Придётся делать всё возможное с тремя доступными типами ускорения – гравитационным, линейным и вращательным.

Подавляющее большинство кварков и лептонов Вселенной состоят из материи, но для каждого из них существуют и частицы антиматерии, гравитационные массы которых не определены

Единственным способом создать искусственную гравитацию, способную защитить вас от эффектов ускорения корабля и придать вам постоянное притяжение „вниз“ без ускорения, было бы открыть новый тип отрицательной гравитационной массы. У всех открытых нами частиц и античастиц масса положительна, но это инерциальные массы, то есть, массы, имеющие отношение к ускорению или созданию частиц (то есть, это m из уравнений F = ma и E = mc2). Мы показали, что инерциальная и гравитационная массы для всех известных частиц совпадают, но пока не проводили достаточно тщательных проверок для антиматерии и античастиц.

Коллаборация ALPHA ближе других экспериментов подошла к измерению поведения нейтральной антиматерии в гравитационном поле

И в этой области эксперименты идут прямо сейчас! В эксперименте ALPHA на ЦЕРН получили антиводород — стабильную форму нейтральной антиматерии — и сейчас работают над изоляцией её от всех других частиц на низких скоростях. Если он окажется достаточно чувствительным, мы сможем измерить, в какую сторону антиматерия будет двигаться в гравитационном поле. Если она будет падать вниз, как и обычная, тогда её гравитационная масса больше нуля, и её нельзя использовать для создания гравитационного проводника. Но если она будет падать вверх, это изменит всё. Единственный экспериментальный результат внезапно сделает искусственную гравитацию физически возможной.

Возможность получить искусственную гравитацию соблазнительна, но она требует существования отрицательной гравитационной массы. Такой массой может стать антиматерия, но это пока неизвестно.

Если у антиматерии будет отрицательная гравитационная масса, тогда сделав потолок комнаты из антиматерии, а пол из материи, мы сможем создать искусственное гравитационное поле, постоянно притягивающее вас „вниз“. Построив оболочку корабля из гравитационного проводника, мы защитим всех внутри него от сил сверхвысокого ускорения, которое иначе было бы смертельным. И, что самое прекрасное, люди в космосе больше не будут страдать от отрицательных физиологических эффектов, от нарушения вестибулярного аппарата до атрофии сердечной мышцы, досаждающих современным космонавтам. Но пока мы не откроем частицу (или набор частиц) с отрицательной гравитационной массой, искусственную гравитацию можно будет получить только через ускорение.

Искусственная гравитация: как ее создать

Искусственная гравитация на космических кораблях и станциях решила бы массу проблем, однако пока такой технологии мы не увидели. Сможем ли мы создать ее в будущем, и какие у нас есть варианты?

Никита Шевцев

Космические корабли нуждаются в искусственной гравитации, но создать ее не так-то просто. Однако, у нас есть сразу несколько вариантов реализации этой технологии

Астронавты регулярно испытывают прерывистые линейные ускорения во время полета в космос. Эти силы, однако, технически не являются искусственной гравитацией, а побочными эффектами полета в космос. Под искусственной гравитацией мы имеем в виду устойчивую силу, намеренно созданную при помощи технологии. К сожалению, до сих пор не разработано и не внедрено никакого практического решения этой проблемы. В основном это связано с требуемыми размерами и стоимостью доставки компонентов в космос. Конечно, мы могли бы построить корабль на орбите, используя материал, добытый с Луны или астероидов. Возможно, мы могли бы даже использовать космические лифты.

Если бы мы могли разработать системы искусственной гравитации, то теоретически смогли бы продлить пребывание человека в условиях низкой гравитации на неопределенный срок. Это, конечно, будет зависеть от решения других проблем, таких как питание, вода и социальное взаимодействие.  Искусственная гравитация устранит или, по крайней мере, смягчит неблагоприятные последствия для здоровья от низкой или нулевой гравитации для человеческого организма.

Центробежная сила вместо гравитации

По сути, это решение предлагает использовать вращающийся цилиндр, тор или сферу. Они будут имитировать эффекты гравитации, создаваемые массивными объектами, такими как планеты. Принцип заключается в создании центробежной силы, которая прижимает астронавтов к внешнему краю вращающейся секции станции. Изменяя радиус и скорость вращения, вы можете напрямую влиять на моделируемую силу «гравитации».

Интересно, что центробежную силу часто называют псевдо-силой, поскольку на самом деле это не сила. На самом деле это скорее инерционное движение в сторону от оси вращения. По сути, это результат центростремительной силы объекта, движущегося по круговой траектории. Интересно, что в 1960-х годах NASA провело различные эксперименты, которые показали, что теоретически создание гравитации при помощи центробежной силы возможно.

В 2025 году компания Orbital Assembly Corporation планирует начать строительство на орбите целого отеля с искусственной гравитацией, созданной как раз при помощи центробежной силы. Посмотрим, получится ли у них или нет.

Линейное ускорение

Аналогично центробежной силе, линейное ускорение также может имитировать гравитацию. Если бы мы могли создать постоянное ускорение в 9,8 м/с2, экипаж бы прижало к кораблю в противоположном направлении движения и он ощущал бы земную гравитацию. Это «притяжение» приведет к тому, что любые незакрепленные объекты и люди прижмутся к корпусу корабля. По сути, это привело бы к проявлению гравитации в соответствии с законами Ньютона.

Если бы корабль мог создавать среднюю линейную «гравитацию» в 9,8 м/с2 во время ускорения и замедления, корабль мог бы достичь Марса за несколько дней.

Магнетизм

Диамагнетизм может быть еще одним потенциальным решением для обеспечения искусственной гравитации.  Исследователи, как ни удивительно, смогли заставить левитировать мышей с помощью мощных магнитных полей. В своих экспериментах ученые смогли смоделировать силу тяжести Земли — звучит довольно круто. Однако для таких магнитов требуется очень дорогая криогенная техника, чтобы они оставались сверхпроводящими, не говоря уже о необходимой мощности.

Есть ли гравитация на космической станции?

Содержимое
  • Правильный аргумент (качественный)
  • Правильный аргумент (количественный)

На самом деле сила тяжести действует на объекты на МКС, хотя кажется, что они свободно плавают, как в глубоком космосе при полном отсутствии гравитации.
Чтобы увидеть, как обе вещи могут быть правдой, давайте вернемся к вопросу на Землю.
Если мы сядем в машину на поверхность Земли, то ясно, что действует гравитация.

Несмотря на это, нам знакомо знакомое ощущение невесомости, когда сидишь в машине или на американских горках, которые быстро мчатся по гребню холма. Причина, по которой это происходит, заключается в том, что когда трасса изгибается (с подъема на спуск), тележка для горок (и все, что в ней) все еще имеет свою первоначальную скорость движения вверх. Форма гусеницы определяет траекторию тележки и ускоряет ее движение вниз.

Предметы в тележке не испытывают этой силы и, таким образом, остаются в свободном падении до тех пор, пока не столкнутся с ремнем/привязью безопасности. Фактически, мы могли выпустить что-то из рук, и оно казалось бы парящим в воздухе, не двигаясь ни вверх, ни вниз с нашей точки зрения.

Понятно, что хотя гравитация продолжает действовать, объекты в тележке испытывают состояние невесомости из-за своей траектории.

Это аналогично обстоятельству, которое мы находим на космической станции. МКС не просто парит в космосе в состоянии покоя относительно Земли — она вращается вокруг планеты со скоростью более 17 500 миль в час или 4,5 мили в секунду.

Для движения по такой круговой орбите требуется сила, направленная к центру. Для простой аналогии подумайте о силе, которую вы чувствуете от автомобильной двери при повороте. Здесь та же потребность, но стенки МКС не могут дать такой силы, ведь МКС мчится сквозь пространство и не может оттолкнуть что-то твердое вроде дороги.

Так откуда берется сила? Это происходит от гравитационного притяжения Земли. На самом деле, на орбите вокруг Земли МКС (или любой другой спутник) испытывает идеальный баланс между внутренним притяжением и центростремительным ускорением, необходимым для движения по кругу.

Таким образом, объекты внутри МКС испытывают постоянное свободное падение к Земле, создавая ощущение невесомости. Но вопреки тому, что мы могли бы ожидать, это происходит именно из-за притяжения, а не из-за его отсутствия!

То же явление наблюдается в свободно падающем лифте. Предположим, человек стоит в лифте в свободном падении, когда он протягивает свой телефон и отпускает его. В кадре Земли человек и телефон свободно падают под действием силы тяжести. 2}{r}
\end{aligned}agravity​r2GMEarth​​=acentripetal​=rv2​​
а орбитальная скорость равна v=GMEarth/r.v = \sqrt{GM_\textrm{Earth}/r}.v=GMEarth​/r​.

Следовательно, в системе МКС объекты испытывают ускорение a=agravity−acentripetal=0,\mathbf{a} = \mathbf{a}_\textrm{gravity} — \mathbf{a}_\textrm{ центростремительный} = 0,a=агравитация−ацентростремительный​=0, так что космонавты испытывают состояние невесомости.

Запрос : Если человек встанет на весы внутри МКС, показания будут равны нулю. Означает ли это, что внутри МКС нет гравитации?

Ответ : Это правда, что показания весов равны нулю, но это не означает, что гравитация отсутствует. Масштаб человека ускорен к Земле.
Весы не противостоят ему, так как падают вместе с ним.
Поскольку нормальная реакция весов отсутствует, их показание равно нулю.

Запрос : В системе МКС ускорение любого объекта равно нулю. Разве это не означает, что внутри МКС нет гравитации?

Ответ : Как объяснено во втором объяснении, в рамках МКС гравитационная сила компенсируется псевдосилой (центростремительное ускорение). {-2} g=10 мс−2.

См. также

  • Список распространенных заблуждений
  • Гравитация
  • Центростремительное ускорение
  • Вывод законов Кеплера

Процитировать как:
Есть ли гравитация на космической станции?
Brilliant.org .
Извлекаются из
https://brilliant.org/wiki/is-there-gravity-in-the-space-station/

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 смотрим на более длительные миссии с экипажем, в том числе на Марс, искусственная гравитация может иметь важное значение для здоровья наших астронавтов.

Связанный: 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 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 транспортное средство, похожее на палку, диаметром около 328 футов (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.