Штучна гравітація: від "Космічної одіссеї» Кубрика до античастинки

Проблеми з вестибулярним апаратом - не єдине наслідок тривалого перебування в умовах

мікрогравітації. Астронавти, які проводять на МКС більше місяця, часто страждають від порушення сну, уповільнення роботи серцево-судинної системи і метеоризму.

Нещодавно НАСА завершило експеримент, в ходіякого вчені порівняли геном братів-близнюків: один з них провів на МКС майже рік, інший здійснював лише короткочасні польоти і більшу частину часу перебував на Землі. Довготривале перебування в космосі призвело до того, що 7% ДНК першого астронавта змінилися назавжди - йдеться про генах, пов'язаних з імунною системою, формуванням кісткової тканини, кисневим голодуванням і надмірною кількістю вуглекислого газу в організмі.

НАСА порівняла астронавтів-близнюків, щоб побачити, як тіло людини змінюється в космосі

В умовах мікрогравітації людина буде змушенийне діяти: мова йде не про перебування астронавтів на МКС, а про польоти в глибокий космос. Щоб з'ясувати, як такий режим вплине на здоров'я астронавтів, Європейське космічне агентство (ESA) на 21 день поклало 14 добровольців в нахилену в бік голови ліжко. Експеримент, який дозволить на практиці перевірити новітні методи боротьби з невагомістю - такі як поліпшені режими фізичних вправ і харчування-намір спільно провести НАСА і Роскосмос.

Але в разі, якщо люди вирішать відправити кораблі до Марсу або Венери, знадобляться більш екстремальні рішення - штучна гравітація.

Як гравітація може існувати в космосі

Перш за все варто зрозуміти, що гравітація існує всюди - в деяких місцях вона слабше, в інших сильніше. І космічний простір не є винятком.

МКС і супутники знаходяться під постійним впливомгравітації: якщо об'єкт знаходиться на орбіті, він, кажучи спрощено, падає навколо Землі. Подібний ефект виникає, якщо кинути м'яч вперед - перш ніж впасти на землю, він трохи пролетить в напрямку кидка. Якщо кинути м'яч сильніше, він пролетить далі. Якщо ви супермен, а м'яч - ракетний двигун, він не впаде на землю, а облетить навколо неї і продовжить обертатися, поступово виходячи на орбіту.

Мікрогравітація передбачає, що люди всередині корабля не перебувають в повітрі - вони падають з корабля, а той, у свою чергу, падає навколо Землі.

Завдяки тому, що гравітація є силоютяжіння між двома масами, ми залишаємося на поверхні Землі, коли йдемо по ній, а не пливемо в небо. У цьому випадку вся маса Землі притягує масу наших тел до свого центру.

врізка

Коли кораблі виходять на орбіту, вони вільноплавають в космічному просторі. Вони як і раніше схильні до гравітаційному тяжінню Землі, але корабель і знаходяться в ньому предмети або пасажири схильні до гравітації однаково. Існуючі апарати недостатньо масивні, щоб створити помітний тяжіння, тому люди і предмети в ньому не стоять на підлозі, а «плавають» у повітрі.

Як створити штучну гравітацію

Штучної гравітації як такої неіснує, щоб її створити, людині необхідно дізнатися все про природної гравітації. У науковій фантастиці існує концепція імітації гравітації: вона дозволяє екіпажу космічних кораблів ходити по палубі, а предметів стояти на ній.

В теорії існує два способи створити імітаціюгравітації, і жоден з них поки не був використаний в реальному житті. Перший - це використання центростремительной сили для моделювання сили тяжіння. Корабель або станція при цьому повинні представляти собою колесоподобную конструкцію, що складається з декількох постійно обертаються сегментів.

Відповідно до цієї концепції, доцентровеприскорення апарату, що штовхає модулі до центру, створить подобу гравітації або умови, аналогічні земним. Ця концепція була продемонстрована в «Космічній одіссеї 2001 року» Стенлі Кубрика і в фільмі «Інтерстеллар» Крістофера Нолана.

Концепція апарату, що створює доцентрове прискорення для імітації гравітації

Автором цього проекту вважається німецькийвчений-ракетник і інженер Вернер фон Браун, який керував розробкою ракети «Сатурн-5», що доставила на Місяць екіпаж «Аполлон-11» і ще кілька пілотованих апаратів.

Будучи директором Центру космічних польотівімені Маршалла НАСА, фон Браун популяризував ідею російського вченого Костянтина Ціолковського про створення тороидальной космічної станції на основі конструкції з маточинами, що нагадує велосипедне колесо. Якщо колесо обертається в просторі, то інерція і відцентрова сила можуть створити свого роду штучну гравітацію, яка тягне предмети до зовнішньої окружності колеса. Це дозволить людям і роботам ходити по підлозі, як на Землі, а не плавати в повітрі, як на МКС.

Однак у цього методу є істотнінедоліки: чим менше космічний корабель, тим швидше він повинен обертатися - це призведе до виникнення так званої сили Корноліса, при якій на точки, розташовані далі від центру, сила тяжіння буде впливати сильніше, ніж на більш близькі до нього. Іншими словами, сила тяжіння буде діяти на голову астронавтів сильніше, ніж на ноги, що навряд чи їм сподобається.

Щоб уникнути цього ефекту, розмір корабляповинен в кілька разів перевищувати розмір футбольного поля - висновок такого апарату на орбіту буде коштувати дуже дорого, враховуючи, що вартість одного кілограма вантажу при комерційних запусках варіюється від $ 1,5 тис. до $ 3 тис.

Інший метод створення імітації гравітації більшпрактичний, але також вкрай доріг - йдеться про метод прискорення. Якщо корабель на певному відрізку шляху спочатку буде розганятися, а потім розвернеться і почне гальмувати, то виникне ефект штучної гравітації.

Для реалізації цього методу будуть потрібніколосальні запаси палива - справа в тому, що двигуни повинні працювати майже безперервно за винятком короткої перерви в середині шляху - під час розвороту корабля.

реальні приклади

Незважаючи на високу вартість запуску апаратів з імітацією гравітації, компанії по всьому світу намагаються побудувати такі кораблі і станції.

Реалізувати концепцію Фон Брауна намагаєтьсякомпанія Gateway foundation - дослідницький фонд, який планує побудувати обертову станцію на орбіті Землі. Передбачається, що по колу колеса будуть розташовуватися капсули, які зможуть купувати державні і приватні аерокосмічні компанії для проведення досліджень. Деякі капсули будуть продані в якості вілл найбагатшим жителям Землі, а інші будуть використовуватися як готелі для космічних туристів.

Стикувальний відсік буде знаходиться в центрі станції - звідти людей і вантажі будуть доставляти на ліфтах в капсули.

Спосіб залучення грошей компанія вибраланеоднозначний: вона має намір організувати лотерею, переможці якої крім грошової винагороди отримають можливість безкоштовно полетіти на станцію і провести ніч в її капсулі. Коли апарат буде виведений на орбіту, в компанії не розкривають.

врізка

Над створенням апарату зі штучноюгравітацією для проведення довготривалих космічних досліджень працювала і НАСА. У 2011 році космічне агентство представило концепцію обертового космічного корабля з надувними модулями Nautilus-X, який повинен був знизити вплив мікрогравітації на вчених, які перебувають на його борту.

Передбачалося, що проект буде коштувати всього$ 3,7 млрд - дуже мало для подібних апаратів, - а на його будівництво потрібно 64 місяці. Однак Nautilus-X так і не вийшов за рамки первісних креслень і пропозицій.

висновок

Поки найвірогідніший спосіб отримати імітаціюгравітації, яка захистить корабель від наслідків прискорення і дасть постійне тяжіння без необхідності постійно використовувати двигуни - це виявити частинку з негативною масою. Всі частинки і античастинки, які вчені коли-небудь виявили, мають позитивну масу. Відомо, що отрічательная маса і гравітаційна маса дорівнюють один одному, проте поки дослідникам не вдавалося продемонструвати це знання на практиці.

Дослідники з експерименту ALPHA в ЦЕРНі вжестворили антиводню - стабільну форму нейтрального антиречовини - і працює над його ізоляцією від усіх інших частинок на дуже низьких швидкостях. Якщо вченим вдасться це зробити, ймовірно, найближчим часом штучна гравітація стане реальнішою, ніж зараз.

Facebook Notice for EU! You need to login to view and post FB Comments!