الجاذبية المصطنعة: من أوديسا الفضاء في كوبريك إلى الجسيمات

مشاكل الجهاز الدهليزي ليست هي النتيجة الوحيدة للبقاء لفترة طويلة في الظروف

الجاذبية الصغرى. غالبًا ما يعاني رواد الفضاء الذين يقضون أكثر من شهر في محطة الفضاء الدولية من اضطرابات النوم، وبطء وظائف القلب والأوعية الدموية، وانتفاخ البطن.

أكملت ناسا مؤخرًا تجربة خلالالذي قارن العلماء جينوم الأخوين التوأم: قضى أحدهما ما يقرب من عام في محطة الفضاء الدولية، والآخر قام برحلات قصيرة فقط وقضى معظم الوقت على الأرض. أدت الإقامة الطويلة في الفضاء إلى حقيقة أن 7٪ من الحمض النووي لرائد الفضاء الأول تغير إلى الأبد - نحن نتحدث عن الجينات المرتبطة بجهاز المناعة وتكوين العظام وتجويع الأكسجين وزيادة ثاني أكسيد الكربون في الجسم.

قامت ناسا بمقارنة رواد الفضاء التوأم لمعرفة كيف يتغير جسم الإنسان في الفضاء

في ظروف الجاذبية الصغرى، سيتم إجبار الشخصلا تفعل شيئًا: نحن لا نتحدث عن بقاء رواد الفضاء في محطة الفضاء الدولية، بل عن الرحلات الجوية إلى الفضاء السحيق. ولمعرفة كيفية تأثير مثل هذا النظام على صحة رواد الفضاء، وضعت وكالة الفضاء الأوروبية (ESA) 14 متطوعًا في سرير مائل إلى جانب الرأس لمدة 21 يومًا. من المقرر إجراء تجربة ستختبر أحدث الأساليب لمكافحة انعدام الوزن، مثل تحسين التمارين الرياضية وأنظمة التغذية، بشكل مشترك بين وكالة ناسا وروسكوزموس.

ولكن إذا قرر الناس إرسال سفن إلى المريخ أو كوكب الزهرة ، فستكون هناك حاجة إلى حلول أكثر تطرفًا - الجاذبية الصناعية.

كيف يمكن أن توجد الجاذبية في الفضاء

بادئ ذي بدء، من المفيد أن نفهم أن الجاذبية موجودة في كل مكان - في بعض الأماكن تكون أضعف، وفي أماكن أخرى أقوى. والفضاء الخارجي ليس استثناءً.

محطة الفضاء الدولية والأقمار الصناعية تحت تأثير مستمرالجاذبية: إذا كان الجسم في مدار، فإنه يسقط حول الأرض، بكل بساطة. يحدث تأثير مماثل إذا قمت برمي الكرة إلى الأمام - قبل أن تصل إلى الأرض، فسوف تطير قليلا في اتجاه الرمي. إذا رميت الكرة بقوة أكبر، فسوف تطير لمسافة أبعد. إذا كنت سوبرمان، وكانت الكرة عبارة عن محرك صاروخي، فلن تسقط على الأرض، بل ستطير حولها وتستمر في الدوران، وتدخل المدار تدريجيًا.

تفترض Microgravity أن الأشخاص الموجودين داخل السفينة ليسوا في الهواء - فهم يسقطون من السفينة ، وهذا بدوره يقع حول الأرض.

وذلك لأن الجاذبية قوةالتجاذب بين كتلتين، فإننا نبقى على سطح الأرض عندما نسير عليها، بدلاً من أن نطفو في السماء. في هذه الحالة، تجذب كتلة الأرض بأكملها كتلة أجسادنا إلى مركزها.

incut

عندما تذهب السفن إلى المدار، فهي حرةتطفو في الفضاء الخارجي. فهي لا تزال خاضعة لجاذبية الأرض، لكن السفينة والأشياء أو الركاب الموجودين فيها يخضعون للجاذبية بنفس الطريقة. الأجهزة الموجودة ليست ضخمة بما يكفي لخلق جاذبية ملحوظة، لذلك لا يقف الأشخاص والأشياء الموجودة فيها على الأرض، بل "تطفو" في الهواء.

كيف تصنع الجاذبية الصناعية

الجاذبية الاصطناعية على هذا النحو ليست كذلكموجود، من أجل إنشائه، يحتاج الشخص إلى تعلم كل شيء عن الجاذبية الطبيعية. في الخيال العلمي، هناك مفهوم محاكاة الجاذبية: فهو يسمح لطاقم سفينة الفضاء بالسير على سطح السفينة وللأشياء بالوقوف عليها.

من الناحية النظرية، هناك طريقتان لإنشاء تقليدالجاذبية، ولم يتم استخدام أي منها في الحياة الواقعية حتى الآن. الأول هو استخدام قوة الجذب المركزي لمحاكاة الجاذبية. يجب أن تكون السفينة أو المحطة عبارة عن هيكل على شكل عجلة يتكون من عدة أجزاء تدور باستمرار.

وفقا لهذا المفهوم ، الجاذبيةإن تسارع الجهاز ، ودفع الوحدات نحو المركز ، سيخلق مظهراً من الجاذبية أو الظروف المشابهة لتلك الموجودة في الأرض. تم عرض هذا المفهوم في 2001 Space Odyssey من تأليف Stanley Kubrick وفي فيلم Interstellar للكاتب كريستوفر نولان.

مفهوم الجهاز الذي يخلق تسارع الجاذبية لمحاكاة الجاذبية

يعتبر مؤلف هذا المشروع ألمانيًا.عالم الصواريخ والمهندس فيرنر فون براون ، الذي قاد عملية تطوير صاروخ ساتورن 5 ، الذي سلم طاقم أبولو 11 وعدة مركبات أخرى مأهولة إلى القمر.

كمدير لمركز رحلة الفضاءشاع مارشال ناسا ، فون براون فكرة العالم الروسي كونستانتين تسيولكوفسكي لإنشاء محطة فضائية حلقية تقوم على بناء يشبه المحور يشبه عجلة الدراجات. إذا كانت العجلة تدور في الفضاء ، فإن القصور الذاتي وقوة الطرد المركزي يمكن أن تخلق نوعًا من الثقل المصطنع الذي يسحب الأجسام نحو المحيط الخارجي للعجلة. سيسمح ذلك للأشخاص والروبوتات بالمشي على الأرض ، كما هو الحال على الأرض ، وعدم الطفو في الهواء ، مثل محطة الفضاء الدولية.

ومع ذلك، فإن هذا الأسلوب له أهمية كبيرةالعيوب: كلما كانت المركبة الفضائية أصغر، كلما زادت سرعة دورانها - سيؤدي ذلك إلى ظهور ما يسمى بقوة كورنوليس، حيث ستتأثر النقاط البعيدة عن المركز بالجاذبية بقوة أكبر من تلك القريبة منها. بمعنى آخر، ستكون الجاذبية أقوى على رؤوس رواد الفضاء منها على أرجلهم، وهو ما لن يعجبهم.

لتجنب هذا التأثير، حجم السفينةيجب أن يكون حجمه عدة أضعاف حجم ملعب كرة القدم - إن وضع مثل هذا الجهاز في المدار سيكون مكلفًا للغاية، نظرًا لأن تكلفة كيلوغرام واحد من البضائع أثناء الإطلاقات التجارية تتراوح بين 1.5 ألف دولار إلى 3 آلاف دولار.

طريقة أخرى لخلق الجاذبية المقلدة هي أكثرعملي ، ولكن أيضًا مكلف للغاية - هذه طريقة تسريع. إذا كانت السفينة في جزء معين من المسار سوف تتسارع أولاً ، ثم تدور وتبدأ في التباطؤ ، فسيظهر تأثير الجاذبية الصناعية.

لتنفيذ هذه الطريقة سوف تحتاجاحتياطيات الوقود الهائلة - الحقيقة هي أن المحركات يجب أن تعمل بشكل مستمر تقريبًا، باستثناء استراحة قصيرة في منتصف الرحلة - أثناء دوران السفينة.

أمثلة حقيقية

وعلى الرغم من التكلفة العالية لإطلاق المركبات الفضائية التي تحاكي الجاذبية، فإن الشركات حول العالم تحاول بناء مثل هذه السفن والمحطات.

تطبيق مفهوم الخلفية براون يحاولبوابة مؤسسة هي مؤسسة البحوث التي تخطط لبناء محطة دوارة في مدار الأرض. من المفترض أن يكون محيط العجلة كبسولات ستتمكن من شراء شركات الطيران العامة والخاصة للأبحاث. سيتم بيع بعض الكبسولات كفلل لأغنى سكان الأرض ، بينما سيتم استخدام البعض الآخر كفنادق لسائح الفضاء.

يقع رصيف الميناء في وسط المحطة - من هناك سيتم تسليم الأشخاص والبضائع عن طريق المصعد إلى الكبسولة.

اختارت الشركة طريقة جمع الأموالغامضة: إنها تنوي تنظيم يانصيب، حيث ستتاح للفائزين، بالإضافة إلى المكافأة المالية، فرصة السفر إلى المحطة مجانًا وقضاء الليل في كبسولتها. ولم تكشف الشركة عن موعد إطلاق الجهاز في المدار.

incut

حول إنشاء جهاز مصطنعاستخدمت ناسا أيضًا الجاذبية لإجراء أبحاث فضائية طويلة المدى. في عام 2011، كشفت وكالة الفضاء عن Nautilus-X، وهو مفهوم لمركبة فضائية دوارة قابلة للنفخ من شأنها أن تقلل من تأثيرات الجاذبية الصغرى على العلماء الموجودين على متنها.

كان من المفترض أن المشروع سيكلف فقط3.7 مليار دولار صغير جدًا لمثل هذه الأجهزة ، وسيحتاج الأمر إلى 64 شهرًا لإنشاءها. ومع ذلك ، لم تتجاوز Nautilus-X الرسومات والمقترحات الأصلية.

استنتاج

حتى الآن الطريقة الأكثر احتمالا للحصول على التقليدالجاذبية، التي ستحمي السفينة من تأثيرات التسارع وتوفر جاذبية ثابتة دون الحاجة إلى استخدام المحركات باستمرار، هي اكتشاف جسيم ذي كتلة سالبة. كل جسيم وجسيم مضاد اكتشفه العلماء له كتلة موجبة. ومن المعروف أن الكتلة السالبة وكتلة الجاذبية متساويتان، لكن حتى الآن لم يتمكن الباحثون من إثبات هذه المعرفة عمليًا.

لقد قام باحثون من تجربة ALPHA في CERN بالفعللقد أنشأوا الهيدروجين المضاد - وهو شكل مستقر من المادة المضادة المحايدة - ويعملون على عزله عن جميع الجسيمات الأخرى بسرعات منخفضة للغاية. إذا تمكن العلماء من القيام بذلك، فمن المحتمل أن تصبح الجاذبية الاصطناعية في المستقبل القريب أكثر واقعية مما هي عليه الآن.