Umjetna gravitacija: kako to postići i zašto je potrebna? Zašto nemamo veštačku gravitaciju u svemiru? Da li je moguće stvoriti umjetnu gravitaciju.

Tekst rada je postavljen bez slika i formula.
Puna verzija rada dostupna je na kartici "Job Files" u PDF formatu

Ciljevi i zadaci studije

Svrha mog istraživačkog rada je da razmotri takvu fundamentalnu interakciju kao što je gravitacija, njeni fenomeni i problem naseljavanja svemira sa veštačkom gravitacijom, da razmotri karakteristike upotrebe različitih tipova motora za stvaranje veštačke gravitacije, da razvije ideje o životu u svemiru. u uslovima veštačke gravitacije i za rešavanje problema koji nastaju prilikom kreiranja ovog projekta, integracija napredne tehnologije patenata za rešavanje problema veštačke gravitacije.

Relevantnost istraživanja.

Svemirska naselja su vrsta svemirskih stanica u kojima bi osoba mogla živjeti duži vremenski period ili čak cijeli život. Za stvaranje ovakvih naselja potrebno je razmisliti o svim potrebnim uslovima za optimalnu životnu aktivnost - sistem za održavanje života, umjetnu gravitaciju, zaštitu od svemirskih udara itd. I iako je prilično teško ostvariti sve uvjete, brojni pisci naučne fantastike i inženjeri već su kreirali nekoliko projekata, prema kojima će se, možda, u budućnosti stvoriti nevjerojatna svemirska naselja.

Značaj i novina studije.

Umjetna gravitacija je obećavajući smjer za istraživanja, jer će omogućiti dugotrajan boravak u svemiru i mogućnost svemirskih letova na velike udaljenosti. Izgradnja svemirskih naselja može obezbijediti sredstva za dalja istraživanja; ako pokrenete program svemirskog turizma, što će biti vrlo skupo zadovoljstvo, svemirske korporacije će dobiti dodatni tok finansiranja, a istraživanja se mogu provoditi u svim smjerovima, bez ograničenja mogućnostima.

Gravitacija. gravitacionih pojava. Gravitacija.

Gravitacija je jedna od četiri vrste fundamentalnih interakcija, ili drugim riječima, takva privlačna sila usmjerena na centar mase bilo kojeg objekta i na centar mase skupa objekata; što je veća masa, veća je i gravitacija. Prilikom udaljavanja od objekta, sila privlačenja prema njemu teži nuli, ali u idealnim uslovima nikada ne nestaje. Odnosno, ako zamislimo apsolutni vakuum bez ijedne dodatne čestice bilo kakvog porijekla, tada će u ovom prostoru svi objekti koji imaju barem beskonačno malu masu, u odsustvu bilo koje druge vanjske sile, biti privučeni jedan drugom u bilo kojem trenutku. beskonačno udaljena udaljenost.

Pri malim brzinama gravitaciju opisuje Njutnova mehanika. A pri brzinama uporedivim sa brzinom svjetlosti, gravitacijske pojave opisuje SRT

A. Einstein.

U okviru Njutnove mehanike, gravitacija je opisana zakonom univerzalne gravitacije, koji kaže da se dva tačkasta (ili sferna) tela privlače jedno prema drugom silom koja je direktno proporcionalna proizvodu masa ovih tela, obrnuto proporcionalnom kvadrat udaljenosti između njih i koji djeluje duž prave linije koja povezuje ova tijela.

U aproksimaciji velikih brzina, gravitaciju objašnjava SRT, koji ima dva postulata:

Ajnštajnov princip relativnosti, koji kaže da se prirodne pojave odvijaju na isti način u svim inercijalnim referentnim okvirima.

Princip konstantnosti brzine svjetlosti, koji kaže da je brzina svjetlosti u vakuumu konstantna (u suprotnosti je sa zakonom sabiranja brzina).

Za opis gravitacije razvijena je posebna ekstenzija teorije relativnosti, u kojoj je zakrivljenost prostor-vremena dozvoljena. Međutim, dinamika čak i unutar SRT-a može uključivati gravitacijsku interakciju, sve dok je potencijal gravitacionog polja mnogo manji. Takođe treba napomenuti da SRT prestaje da radi na skali čitavog Univerzuma, zahtevajući zamenu za GR.

gravitacionih pojava.

Najupečatljiviji gravitacijski fenomen je privlačnost. Postoji i još jedan fenomen povezan sa gravitacijom - bestežinsko stanje.

Zahvaljujući gravitacijskim silama, hodamo zemljom, a naša planeta postoji, kao i cijeli svemir. Ali šta će se dogoditi ako napustimo planetu? Doživjet ćemo jedan od najsjajnijih gravitacijskih fenomena - bestežinsko stanje. Bestežinsko stanje je stanje tijela u kojem na njega ne djeluju druge sile osim gravitacijskih ili se te sile kompenziraju.

Astronauti koji borave na ISS-u su u bestežinskom stanju, što negativno utiče na njihovo zdravlje. Prilikom prelaska iz stanja zemaljske gravitacije u uslove bestežinskog stanja (prije svega, kada letjelica uđe u orbitu), većina astronauta doživljava reakciju organizma koja se naziva sindrom adaptacije prostora. Dugim (više od tjedan dana) boravkom osobe u svemiru, odsustvo gravitacije počinje izazivati određene promjene u tijelu koje su negativne prirode. Prva i najočitija posljedica bestežinskog stanja je brza atrofija mišića: mišići su zapravo isključeni iz ljudske aktivnosti, zbog čega se sve fizičke karakteristike tijela pogoršavaju. Osim toga, posljedica naglog smanjenja aktivnosti mišićnog tkiva je smanjenje tjelesne potrošnje kisika, a zbog nastalog viška hemoglobina može se smanjiti aktivnost koštane srži koja ga sintetiše. Također postoji razlog za vjerovanje da ograničenje pokretljivosti remeti metabolizam fosfora u kostima, što dovodi do smanjenja njihove snage.

Kako bi se riješili negativnih efekata bestežinskog stanja, potrebno je stvoriti umjetnu gravitaciju u svemiru.

Umjetna gravitacija i svemirska naselja. Rana istraživanja u 20. veku

Ciolkovsky je predložio teoriju eteričnih naselja, koja su torus koji se polako rotira oko svoje ose. Ali u to vrijeme su takve ideje bile utopijske i svi njegovi projekti ostali su na skicama.

Prvi razvijeni projekat predložio je austrijski naučnik Herman Nordrung 1928. Bila je to i stanica u obliku torusa, uključujući stambene module, električni generator i modul astronomske opservatorije.

Sljedeći projekat predložio je Wernher von Braun, vodeći stručnjak za američki svemirski program, on je također predstavljao stanicu u obliku torusa u kojoj bi ljudi živjeli i radili u prostorijama povezanim u jedan veliki hodnik. Projekat Werner bio je jedan od NASA-inih prioriteta sve do pojave projekta Skylab 60-ih godina.

Skylab - prva i jedina nacionalna orbitalna stanica Sjedinjenih Država, bila je namijenjena za tehnološka, astrofizička, biomedicinska istraživanja, kao i za posmatranje Zemlje. Lansiran je 14. maja 1973. godine, izvršio je tri misije na svemirskom brodu Apollo od maja 1973. do februara 1974. godine, derbiran je i kolabirao 11. jula 1979. godine.

Nadalje, 1965. godine, Američko svemirsko društvo sugeriralo je da bi idealan oblik za svemirska naselja bio torus, budući da su svi moduli smješteni zajedno, tada će gravitacija imati maksimalnu vrijednost. Činilo se da je problem umjetne gravitacije u velikoj mjeri riješen.

Sljedeći projekt koji je iznio Gerard O'Neill, on je pretpostavio stvaranje kolonija, za koje se predlaže korištenje dva gigantska cilindra veličine zatvorenih u okviru i rotirajućih u različitim smjerovima. Ovi cilindri rotiraju oko svoje ose brzinom od oko 0,53 obrtaja u minuti, zbog čega se stvara gravitacija u koloniji, koja je ljudima poznata.

Godine 1975. Parker je iznio projekt stvaranja kolonije promjera 100 m i dužine od 1 km, uklonjene na udaljenosti od oko 400.000 km od Zemlje i Mjeseca i dizajnirane za 10.000 ljudi. Rotacija oko uzdužne ose brzinom od 1 obrtaja za 21 sekundu stvoriće gravitaciju u njoj blizu Zemljine.

Godine 1977. istraživač NASA Ames Research Center (NASA) Richard Johnson i profesor Charles Holbrow sa Univerziteta Colgate objavili su Space Settlements, u kojima su se bavili naprednim studijama naselja u obliku torusa.

1994. godine, pod vodstvom dr. Rodneya Gallowaya, uz učešće naučnika i laboratorijskih asistenata Phillips Laboratory i Sandia Laboratory, kao i drugih istraživačkih centara USAF-a i Centra za svemirska istraživanja Univerziteta Arizona, a. sastavljen je obiman priručnik za projektovanje prostornih naselja u obliku torusa.

Moderna istraživanja.

Jedan od modernih projekata u oblasti svemirskih naselja je Stanford torus, koji je direktan potomak ideja Wernhera von Brauna.

Stenfordski torus su NASA-i predložili tokom ljeta 1975. studenti sa Univerziteta Stanford kako bi se konceptualizirao dizajn budućih svemirskih kolonija. Kasnije je Gerard O'Neill predstavio svoj "Island One" ili "Bernal Sphere" kao alternativu torusu. Stanford Tor, samo u detaljnijoj verziji, koja predstavlja koncept prstenaste rotirajuće svemirske stanice, predstavili su Wernher von Braun, kao i austrijski inženjer slovenačkog porijekla Herman Potočnik.

To je torus prečnika oko 1,8 kilometara (za 10 hiljada ljudi, kako je opisano u radu iz 1975.) i rotira se oko svoje ose (okreta u minuti), stvarajući veštačku gravitaciju na prstenu od 0,9 - 1 g zbog centrifugalnog snagu.

Sunčeva svetlost ulazi kroz sistem ogledala. Prsten je povezan sa glavčinom preko "žbica" - hodnika za kretanje ljudi i robe do osovine i nazad. Čvorište - osa rotacije stanice - najpogodnije je za priključnu stanicu za prijem letjelica, jer je umjetna gravitacija ovdje zanemarljiva: postoji fiksni modul koji je usidren na os stanice.

Unutrašnjost torusa je pogodna za stanovanje, dovoljno velika da stvori vještački ekosistem, prirodno okruženje, a unutra je poput dugačke, uske glacijalne doline čiji se krajevi na kraju zakrivljuju prema gore i formiraju krug. Stanovništvo ovdje živi u uslovima sličnim gusto naseljenom predgrađu, štaviše, unutar prstena se nalaze grane za poljoprivredu, te stambeni dio. (Prilog 1)

Svemirska naselja i umjetna gravitacija u kulturi. Elysium

Prstenasti svjetovi, kakvi su predstavljeni, na primjer, u fantastičnom akcionom filmu "Elysium" ili video igrici "Halo", možda su jedna od najzanimljivijih ideja za svemirske stanice budućnosti. U Elysiumu, stanica je blizu Zemlje i, ako zanemarite njenu veličinu, ima određenu dozu realizma. Međutim, najveći problem ovdje leži u njegovoj „otvorenosti“, koja je samo po izgledu čista fantazija.

"Možda najspornije pitanje o stanici Elysium je njena otvorenost prema svemirskom okruženju."

“Film pokazuje kako svemirski brod jednostavno slijeće na travnjak nakon što dođe iz svemira. Ne postoje priključci ili nešto slično. Ali takva stanica treba biti potpuno izolirana od vanjskog okruženja. Inače, atmosfera ovdje neće dugo trajati. Možda bi otvoreni prostori stanice mogli biti zaštićeni nekom vrstom nevidljivog polja koje bi omogućilo ulazak sunčeve svjetlosti i održavalo biljke i drveće posađeno u životu. Ali za sada je to samo fikcija. Ne postoje takve tehnologije."

Sama ideja o stanici u obliku prstenova je divna, ali zasad neostvariva.

Ratovi zvijezda

Gotovo svaki ljubitelj naučne fantastike zna šta je Zvijezda smrti. Ovo je tako velika siva i okrugla svemirska stanica iz filmskog epa Ratovi zvijezda, koja spolja jako podsjeća na mjesec. To je intergalaktički razarač planeta koji je u suštini sama umjetna planeta, napravljena od čelika i naseljena jurišnicima.

Možemo li zaista izgraditi takvu umjetnu planetu i surfati galaksijom na njoj? U teoriji, da. Samo to će zahtijevati nevjerovatnu količinu ljudskih i finansijskih resursa.

Pitanje izgradnje Zvijezde smrti pokrenula je čak i američka Bijela kuća, nakon što je društvo poslalo odgovarajuću peticiju na razmatranje. Zvanični odgovor vlasti bio je da će samo za građevinski čelik biti potrebno 852.000.000.000.000.000.000.000 dolara.

Ali čak i da pitanje finansija ne bi bilo prioritet, onda čovječanstvo nema tehnologiju da rekreira Zvijezdu smrti, jer je za njeno kretanje potrebna ogromna količina energije.

(Aneks 2)

Problemi u realizaciji projekta prostornih naselja.

Svemirska naselja su obećavajući pravac u svemirskoj industriji budućnosti, ali kao i uvijek postoje poteškoće koje se moraju savladati da bi se ovaj zadatak završio.

Početni kapitalni troškovi;

Unutrašnji sistemi za održavanje života;

Stvaranje umjetne gravitacije;

Zaštita od neprijateljskih spoljašnjih uslova:

od zračenja;

pružanje topline;

od stranih predmeta;

Rješavanje problema umjetne gravitacije i svemirskih naselja.

Početni kapitalni troškovi - ovaj problem se može riješiti zajedno ako ljudi ostave po strani svoje lične ambicije i rade na većem cilju. Na kraju krajeva, budućnost čovečanstva zavisi od nas.

Unutrašnji sistemi za održavanje života - već sada postoje sistemi za ponovno korištenje vode na ISS-u, ali to nije dovoljno, pod uslovom da ima dovoljno prostora na orbitalnoj stanici, možete pronaći mjesto za staklenik u kojem će rasti biljke koje proizvode maksimalno kisik , tu je i mjesto za stvaranje hidroponskih laboratorija za uzgoj GMO-a koje će moći opskrbiti hranom cjelokupno stanovništvo stanice.

Stvaranje umjetne gravitacije nije tako težak zadatak kao isporuka ogromne količine goriva potrebnog za rotaciju stanice.

1. Postoji nekoliko načina za rješavanje problema.
  1. 1. Kada je u pitanju poređenje efikasnosti različitih tipova motora, inženjeri obično govore o specifičnom impulsu. Specifični impuls se definira kao promjena momenta po jedinici potrošene mase goriva. Dakle, što je motor efikasniji, to je manje goriva potrebno za lansiranje rakete u svemir. Impuls je, pak, rezultat djelovanja sile određeno vrijeme. Hemijske rakete, iako imaju vrlo visok potisak, djeluju samo nekoliko minuta, pa ih karakterizira vrlo nizak specifični impuls. Jonski potisnici, sposobni da rade godinama, mogu imati visok specifični impuls pri vrlo niskom potisku.

Koristite standardni pristup i primijenite mlazne motore da riješite problem. Proračuni pokazuju da će korištenjem bilo kojeg poznatog mlaznog motora biti potrebne ogromne količine goriva za održavanje stanice najmanje godinu dana.

Specifični impuls I (LPRE) = 4,6

Specifični impuls I (SRM) = 2,65

Specifični impuls I (EP) = 10

Specifični impuls I (plazma pogon) = 290

Ovo je potrošnja goriva za 1 godinu, stoga je nerazumno koristiti mlazne motore.

Razmotrimo elementarni slučaj.

Pretpostavimo da imamo vrtuljak koji miruje. Zatim, ako fiksiramo n broj unipolarnih elektromagneta duž ruba vrtuljka tako da je sila njihove interakcije maksimalna, dobićemo sljedeće: ako uključimo elektromagnet br. 1 tako da će djelovati na elektromagnet br. sa silom x puta većom od, druga djeluje na prvu, prema Newtonovom III zakonu, sila djelovanja elektromagneta br. 1 na br. 2 sa strane br. 2 će biti kompenzirana reakcijskom silom nosača vrtuljka , što će karusel izbaciti iz mirovanja. Sada isključite broj 1, podignite snagu br. 2 na broj 1 i uključite broj 3 sa silom jednakom broju 2 u prethodnoj fazi, i ako nastavimo ovaj postupak, postići ćemo rotaciju vrtuljka . Primjenjujući ovu metodu na svemirsku stanicu, dobivamo rješenje za problem umjetne gravitacije.

(Dodatak 3).

Zaštita od neprijateljskih uslova okoline

Nositelj patenta Rebeko Alexey Gennadievich

Pronalazak se odnosi na metode i sredstva za zaštitu posade i opreme od jonizujućeg zračenja (visoke energije naelektrisanih čestica) tokom svemirskih letova. Prema izumu, oko letjelice se stvara zaštitno statičko električno ili magnetsko polje, koje je lokalizirano u prostoru između dvije zatvorene, beskontaktne površine ugniježđene jedna u drugu. Zaštićeni prostor letjelice ograničen je unutrašnjom površinom, dok vanjska površina izoluje letjelicu i zaštićeni prostor od međuplanetarne plazme. Oblik površina može biti proizvoljan. Pri korištenju električnog zaštitnog polja na ovim površinama stvaraju se naboji iste veličine i suprotnog predznaka. U takvom kondenzatoru, električno polje je koncentrisano u prostoru između površina-ploča. U slučaju magnetnog polja, struje suprotnog smjera prolaze duž površina, a omjer jačine struje se bira tako da se minimizira vrijednost preostalog polja izvana. Željeni oblik površina u ovom slučaju je toroidan kako bi se osigurala kontinuirana zaštita. Pod djelovanjem Lorentzove sile, nabijene čestice će se kretati duž krivolinijskih putanja ili zatvorenih orbita između površina. Moguća je istovremena primjena električnog i magnetskog polja između površina. U tom slučaju se u prostor između površina može postaviti odgovarajući materijal za apsorpciju nabijenih čestica: na primjer, tekući vodik, voda ili polietilen. Tehnički rezultat izuma je usmjeren na stvaranje pouzdane, kontinuirane (geometrijski kontinuirane) zaštite od kosmičkog zračenja, pojednostavljivanje dizajna zaštitne opreme i smanjenje troškova energije za održavanje zaštitnog polja.

Nositelj patenta Otvoreno akcionarsko društvo Raketno-svemirska korporacija Energia po imenu S.P. Korolev

Sistem termičke kontrole letelice i orbitalne stanice, koji sadrži zatvorene krugove hlađenja i grejanja spojenih preko najmanje jednog srednjeg izmenjivača toplote tečnost-tečnost, sisteme upravljanja i merenja, armature za distribuciju ventila i drenažu-punjenje goriva, dok krug grejanja sadrži cirkulacijski pojačivač, plinsko-tečno i spiralni izmjenjivači topline i termalne ploče i najmanje jedan stimulator cirkulacije, regulator protoka tekućine, čiji je jedan izlaz povezan preko prvog nepovratnog ventila na ulaz miješalice protoka rashladne tekućine, a drugi preko drugi nepovratni ventil - na ulazni izmjenjivač topline radijacije, čiji je izlaz spojen na drugi ulaz protočne miješalice, izlaz protočne miješalice povezan je spojnim cjevovodom sa šupljinom koja prima toplinu međutečnosti- tečni izmjenjivač topline, čiji je izlaz spojen na stimulator cirkulacije, na spojnoj cijevi u žicu su ugrađeni temperaturni senzori, električno povezani preko upravljačkog sistema sa regulatorom protoka tečnosti, koji se karakterišu time što se u rashladni krug dodatno uvode dve električne pumpne jedinice, a ulaz prve električne pumpne jedinice je preko filtera povezan sa izlaz rashladne tečnosti iz šupljine za primanje toplote srednjeg izmenjivača toplote tečnost-tečnost, a njegov izlaz je povezan sa drugim nepovratnim ventilom i paralelno, preko filtera, na ulaz druge električne pumpne jedinice, izlaz iz koji je povezan sa prvim nepovratnim ventilom, dok je svaka električna pumpna jedinica opremljena senzorom diferencijalnog pritiska, a na cevovodu koji povezuje izlaz protočne mešalice sa šupljinom koja prima toplotu izmenjivača toplote tečnost-tečnost, dodatna temperatura ugrađen je senzor, električno povezan preko upravljačkog sistema sa prvom električnom pumpnom jedinicom.

Postoji mnogo načina zaštite od stranih tijela.

Koristite nestandardne motore, kao što je elektromagnetski akcelerator sa promjenjivim specifičnim impulsom;

Omotajte asteroid reflektirajućim plastičnim solarnim jedrom korišćenje PET folije obložene aluminijumom;

"Obojite" ili pospite predmet titanovim dioksidom (bijeli) ili čađom (crni) tako da izazivaju efekat Jarkovskog i promijeniti svoju putanju;

Planetarni naučnik Eugene Shoemaker predložio je 1996. godine emituju oblak pare na putu do objekta da ga lagano usporite. Nick Zabo je nacrtao sličan koncept 1990. "aerodinamičko kočenje komete": kometa ili ledena struktura cilja na asteroid, nakon čega nuklearne eksplozije ispare led i formiraju privremenu atmosferu na putu asteroida;

Pričvrstite teški balast na asteroid kako biste promijenili njegovu putanju pomicanjem centra gravitacije;

Koristite lasersku ablaciju;

Koristite emiter udarnih talasa;

Još jednu "beskontaktnu" metodu nedavno su predložili naučnici C. Bombardeli i J. Pelez sa Tehničkog univerziteta u Madridu. Predlaže koristiti jonski top sa malom divergencijom, usmjeren na asteroid sa obližnjeg broda. Kinetička energija koja se prenosi kroz jone koji stignu do površine asteroida, kao u slučaju gravitacionog tegljača, stvorit će slabu, ali stalnu silu koja može odbiti asteroid, a koristit će se lakši brod.

Podrivanje nuklearnog uređaja iznad, na ili ispod površine asteroida je opcija za odbijanje potencijalne prijetnje. Optimalna visina eksplozije ovisi o sastavu i veličini objekta. U slučaju prijetnje od gomile krhotina, kako bi se izbjeglo njihovo raspršivanje, predlaže se izvođenje radijacijske implozije, odnosno eksplozije iznad površine. Tokom eksplozije, oslobođena energija u obliku neutrona i mekih rendgenskih zraka (koji ne prodiru u materiju) pretvara se u toplotu kada dopre do površine objekta. Toplota pretvara supstancu objekta u izbijanje, i ona će skrenuti sa putanje, slijedeći Newtonov treći zakon, izbijanje će ići u jednom smjeru, a objekt u suprotnom smjeru.

Elektromagnetski katapult je automatski sistem koji se nalazi na asteroidu i ispušta supstancu od koje se sastoji u svemir. Tako se polako pomiče i gubi masu. Elektromagnetski katapult mora raditi kao sistem sa niskim specifičnim impulsom: troši puno goriva, ali malo energije.

Poenta je da ako koristite asteroidni materijal kao gorivo, tada količina goriva nije toliko važna koliko količina energije, koja će vjerovatno biti ograničena.

Drugi mogući način je postavljanje elektromagnetnog katapulta na Mjesec, usmjeravajući ga na objekt blizu Zemlje, kako bi se iskoristila orbitalna brzina prirodnog satelita i njegove neograničene količine "kamenih metaka".

Zaključak.

Nakon analize iznesenih informacija, postaje jasno da je umjetna gravitacija vrlo stvaran fenomen koji će se uvelike koristiti u svemirskoj industriji, čim prevladamo sve poteškoće vezane za ovaj projekt.

Vidim svemirska naselja u obliku koji je von Braun predložio: toroidni svjetovi sa optimalnim korištenjem prostora i uz korištenje naprednih tehnologija za osiguranje kontinuiranog života, naime:

Upotreba naprednih tehnologija za zadovoljavanje potreba stanice:

Hidroponika
- Biljke nije potrebno obilno zalijevati. Voda će se trošiti mnogo manje nego kada se uzgaja na tlu u bašti. Unatoč tome, uz pravilan odabir minerala i komponenti, biljke se neće osušiti niti trunuti. To radi tako što dobija dovoljno kiseonika.
  
  Veliki plus je što vam ova metoda omogućuje zaštitu biljaka od mnogih bolesti i štetočina. Same biljke neće apsorbirati štetne tvari iz tla.
  
  Shodno tome, biće maksimalni prinos, koji će u potpunosti pokriti potrebe stanovnika stanice.

Regeneracija vode

Kondenzacija vlage iz vazduha.

Prečišćavanje korišćene vode.

Prerada urina i čvrstog otpada.

Grupa nuklearnih reaktora bit će odgovorna za opskrbu energijom, koja će biti zaštićena prema patentu br. 2406661 prilagođeno da pomjeri radioaktivne čestice izvan stanice.

Zadatak stvaranja svemirskih naselja je težak, ali izvodljiv. Nadam se da će se u bliskoj budućnosti, zbog naglog razvoja nauke i tehnologije, ispuniti svi neophodni preduslovi za stvaranje i razvoj svemirskih naselja zasnovanih na veštačkoj gravitaciji. Moj doprinos ovom neophodnom cilju bit će cijenjen. Budućnost čovječanstva leži u istraživanju svemira i prelasku na novi, perspektivniji, ekološki prihvatljiviji zaokret spirale ljudskog razvoja.

Prijave

Dodatak 1. Stanfordski torus

Dodatak 2. Zvijezda smrti, Elysium.

Dodatak 3. Šema rotacionog kretanja.

Rezultanta sila u prvoj aproksimaciji (samo interakcija magneta). Kao rezultat, stanica pravi rotacijski pokret. Što nam treba.

Bibliografija

ALYAKRINSKY. Čovek živi u svemiru. Betežinsko stanje: plus ili minus?

Barer, M. Raketni motori.

Dobrovolski, M. Raketni motori na tečnost. Osnove dizajna.

Dorofejev A. Osnove teorije termičkih raketnih motora.

Matveev. Mehanika i teorija relativnosti: Udžbenik za studente.

Myakishev. Molekularna fizika i termodinamika.

Myakishev. fizika. Mehanika.

Myakishev. fizika. Elektrodinamika.

Rasel, D. Hidroponika.

Sanko. Astronomski rječnik.

Sivukhin. Opšti kurs fizike.

Feynman. Feynmanova predavanja o gravitaciji.

Ciolkovsky. Zbornik radova o raketnoj tehnologiji.

Shileiko. U okeanu energije.

Golubev I.R. i Novikov Yu.V. Životna sredina i njena zaštita

Zakhlebny A.N. Konzervatorska čitanka

Zverev I. Zaštita prirode i ekološko obrazovanje učenika.

Ivanov A.F. Fizički eksperiment sa ekološkim sadržajem.

Kiselev S.V. Demonstracija efekta staklene bašte.

Internet resursi:

https://ru.wikipedia.org/wiki/Main_page

http://www.roscosmos.ru

http://allpatents.ru

Gravitacija je jedna od osnovnih sila Univerzuma. On definira svijet kakav poznajemo povezujući kosmos zajedno. Bez gravitacije, sve bi se stalno udaljavalo od svega ostalog. To je tako osnovni gradivni blok fizike da ga često uzimamo zdravo za gotovo. Zastrašujuće je pomisliti šta bi se dogodilo kada bi neko samo izokrenuo Zemljinu metaforičku gravitaciju. Bili bismo izbačeni sa Zemljine površine u svemir zbog inercije Zemljinog rotacionog kretanja. Kada bismo isključili gravitaciju Sunca, ništa ne bi funkcionisalo da je Sunčev sistem zajedno. Bili smo svjedoci haosa nevjerovatnih razmjera dok su se planete sudarale jedna s drugom, a meteori su se spuštali na nas poput oluje uništenja.

Međutim, koliko je važna kao i gravitacija, postoje neki scenariji u kojima bi određeni stepen kontrole nad njom bio izuzetno koristan. Zamislite da letite bez aviona ili da nosite teške predmete gotovo bez napora. Trenutno, astronauti doživljavaju mnoge fiziološke promjene tokom putovanja svemirom u bestežinskom stanju, a većina tih promjena negativno utječe na njih. Oni pate od mišićne distrofije, gubitka koštane mase, dezorijentacije i drugih nultih efekata. Stoga bi međuzvjezdano putovanje bilo mnogo lakše kada bi se gravitacija mogla umjetno sintetizirati. Šta se dešava mora da se desi, zar ne? Da li je to činjenica? Što si veći, teže padaš? Istina ili fikcija?

Sada da vidimo koliko smo blizu stvarnog korištenja gravitacije.

Određivanje gravitacije

Kako simulirati gravitaciju?

Rotacija bi pomjerila bilo koji objekt unutar letjelice prema bazi i dalje od centra rotacije. Sila otpora iz osnove tijela djelovat će kao normalna sila koja djeluje na nas sa zemljinom površinom kada stojimo. Centrifugalna sila koja nas gura prema dnu trupa djelovat će kao gravitacijska sila kojom Zemlja djeluje na nas.

Međutim, postoji jedno upozorenje. U ovom sistemu, veštački nivoi uveliko variraju u zavisnosti od udaljenosti od centra rotacije. Stoga bi umjetna gravitacija koja se doživljava na stopalima bila veća nego na glavi. To može učiniti kretanje i promjene položaja tijela neugodnim. Međutim, ovaj efekat bi se mogao smanjiti ako je radijus broda mnogo veći od visine prosječne osobe.

Linearno ubrzanje: Putovanje u svemir Roller Coaster

Povećanje brzine, tj. ubrzanje je zbog gravitacije. Ovo je glavni razlog zašto kada slobodno padamo, naša brzina raste. Ovo ubrzanje se može modelirati kao svemirska letjelica koja ubrzava. Svemirska letjelica sa konstantnim pravolinijskim ubrzanjem rezultirala bi gravitacijskim povlačenjem u suprotnom smjeru. To će uzrokovati ubrzanje objekta kako bi se osjetila sila koja ga vuče nazad. Ako se pitate koliko će vam biti udobno u stalnom ubrzanju, ne brinite, jer to je ono što doživljavate cijelo vrijeme zbog Zemljine gravitacijske sile, tobogana i sportskih automobila. Također, tijelo neće znati da se kreće ako nema ubrzanja. Razmišljam o tome

Zemlja se na ekvatoru okreće brzinom od oko 1700 kilometara na sat, ali mi to ne osjećamo, jer je ta brzina konstantna i nema ubrzanja.

Linearno ubrzanje u svemirskom letu zahtijevalo bi ogromnu količinu pogonskog goriva, dok strategija rotacije ne zahtijeva stalnu primjenu sile. Međutim, potrebno je konstantno linearno ubrzanje jer bi, osim umjetne gravitacije, teoretski moglo osigurati relativno kratko vrijeme leta oko Sunčevog sistema.

Magnetizam :

Postoji metoda kojom se mogu stvoriti efekti gravitacije pomoću dijamagnetizma, ali to zahtijeva izuzetno jaka magnetna polja. Sa tako jakim magnetnim poljima, sumnjivo je da će ikada biti siguran za ljudsku upotrebu. Eksperimentalno, žabe, pa čak i pacovi su levitirani protiv Zemljine gravitacije, ali to je u vrlo malom obimu. Mašine koje koriste dijamagnetizam da oponašaju gravitaciju mogu se koristiti za sigurno obezbjeđivanje okruženja niske gravitacije sa snagom sličnom lunarnoj ili marsovskoj gravitaciji.

Živa žaba koja levitira unutar magnetnog polja

paragravitacija:

Smatra se da umjetno simulirana gravitacija u svemirskoj letjelici koja se niti rotira niti ubrzava, poznata i kao "paragravitacija", ne postoji, ali trenutno ne postoji dokazana tehnika koja može simulirati gravitaciju osim mehaničkog ili magnetskog ubrzanja. Međutim, Interstellarov Murphy je to riješio, pa koliko je bilo teško?

Pored navedenih metoda, postoje jednostavnije metode koje mogu negirati efekte gravitacije i dobiti gotovo nulte uslove. Te ogromne ljudske centrifuge sa dugom rotirajućom rukom koje viđamo u crtanim filmovima i filmovima zapravo su veoma korisne u pripremi astronauta za visoke uslove tokom lansiranja.

Neutralna plovnost je još jedna tehnika u kojoj su ljudi obučeni da rješavaju probleme niskog nivoa obavljanjem jednostavnih zadataka u simuliranom okruženju bazena.

Neutralna uzgona nije bestežinsko stanje, jer još uvijek možemo osjetiti smjer gravitacije pod vodom, ali je vrlo blizu uslovima svemirskog leta.

Ekologija znanja. Produženi boravak u svemiru ima ozbiljne posljedice. Medicinska istraživanja o efektima mikrogravitacije na astronaute

Produženi boravak u svemiru ima ozbiljne posljedice. Medicinska istraživanja o efektima mikrogravitacije na astronaute nakon mnogo mjeseci provedenih u niskoj Zemljinoj orbiti (LEO) došla su do gorkog zaključka: ljudi ne mogu u potpunosti živjeti bez gravitacije. Stoga se o umjetnoj gravitaciji sve više raspravlja kao o suštinskoj komponenti trajne misije u svemiru, blizu i daleko od Zemlje.

Umjetna gravitacija bit će posebno važna za višegodišnje komercijalne misije, gdje će telerobotiku kontrolirati posada stacionirana u neposrednoj blizini rudarskog i drugog asteroida. Takva gravitacija bi takođe bila korisna za dugoročna istraživanja na tijelima sa niskom gravitacijom poput Mjeseca, Marsa ili čak satelita vanjskih planeta.

William Kemp iz Washingtona vjeruje da je zajedno sa svojim poslovnim partnerom Tedom Mazeikom pronašao održivo rješenje za ova pitanja. Ovo je cilindrična svemirska stanica promjera 30 metara koja je sposobna stvoriti promjenjivu umjetnu gravitaciju rotacijom cilindra oko svoje uzdužne ose.

„Ako želimo da ostanemo u svemiru duže od godinu dana, moramo da napravimo sistem veštačke gravitacije ili ćemo u tom procesu žrtvovati ljude“, rekao je Kemp, osnivač i izvršni direktor United Space Structures.

Više od tri decenije Kemp je radio na usavršavanju svojih ideja. Kompanija trenutno ima patentiran proces u projektu i traži sredstva i druge partnere koji mogu investirati na veliki način.

Ideja je da se postigne umjetna gravitacija pomoću centrifugalne sile, koja bi zahtijevala rotaciju kako bi se stvorio pritisak naniže. Mala struktura od 10 metara bi se teoretski mogla okretati dovoljno brzo da ljudi osete gravitaciju, ali Kemp kaže da bi astronauti s takvom strukturom imali strašne probleme sa unutrašnjim uhom.

“Ako je brzina rotacije previsoka, vaš osjećaj za ravnotežu će pokvariti i uskoro ćete osjetiti užasne bolove u rukama i kolenima”, kaže Kemp.

Ipak, mala cilindrična stanica prečnika 30 metara, koju je predložio Kemp, moći će da održi gravitaciju od 0,6 Zemlje; ovo je minimum koji će omogućiti ljudima da bezbedno žive na stanici najmanje dve godine. Astronauti će živjeti i unutar cilindra i u vanjskoj hemisferi strukture.

Kemp kaže da bi cilindričnoj stanici od 30 metara bila potrebna brzina rotacije od 5,98 okretaja u minuti i minimalna upotrebljiva veličina za stvaranje umjetne gravitacije. Velika brzina rotacije bila bi nezgodna za astronaute.

“Smjer u kojem se cilindar rotira nije bitan,” kaže Kemp. - Brzina zavisi od radijusa rotacionog objekta i gravitacije koja vam je potrebna; što je veći radijus, to je niža brzina rotacije.

Prvi korak u testiranju United Space Structures bit će testiranje prototipa od 30 metara u LEO-u, kaže Kemp. Iako takva stanica od 30 metara može primiti najmanje 30 ljudi, ona će dobro raditi u dubokom svemiru i uslovima rudarenja asteroida blizu Zemlje.

Koji će partneri graditi ove stanice?

“Pregovaramo sa kompanijama kao što su Deep Space Industries kompanijama koje žele da kopaju asteroide, kao i sa drugim kompanijama koje žele da kopaju resurse na Mesecu, kaže Kemp. “Željeli bismo koristiti SpaceX lansirne rampe, ali to će značajno povećati troškove, tako da ćemo u početku koristiti kompozitne materijale za konstrukciju, a ne metale.”

Uprkos predviđenim skokovima u svemirskoj medicini u naredne dve decenije, Kemp je apsolutno uveren da će veštačka gravitacija uvek biti potrebna. S vremenom, u uvjetima mikrogravitacije, mišićna i koštana masa se smanjuje, optički živac se smanjuje, mrežnica se odvaja, imunitet se smanjuje, a kritičko razmišljanje može čak biti narušeno.

Naravno, to ne znači da će umjetna gravitacija biti lijek za sve.

U vještačkoj gravitaciji, astronauti će i dalje znati da su na rotirajućoj stanici, kaže Kemp. Hodanje na takvoj stanici će ličiti na spuštanje niz padinu, jer će vam pod izaći ispod nogu. Hodanje u suprotnom smjeru rotacije imat će osjećaj kao da idete uzbrdo jer će se pod podići. A ako hodate okomito na rotaciju u bilo kojem smjeru, postojat će osjećaj da padate u stranu.

Problemi s vestibularnim aparatom nisu jedina posljedica dužeg izlaganja mikrogravitaciji. Astronauti koji provode više od mjesec dana na ISS-u često pate od poremećaja sna, usporavanja kardiovaskularnog sistema i nadimanja.

NASA je nedavno završila eksperiment u kojem su naučnici genomirali braću blizance: jedan od njih je proveo skoro godinu dana na ISS-u, drugi je napravio samo kratkoročne letove i većinu vremena proveo na Zemlji. Dugi boravak u svemiru doveo je do toga da se 7% DNK prvog astronauta zauvijek promijenilo - govorimo o genima povezanim s imunološkim sistemom, formiranjem kostiju, gladovanjem kisikom i viškom ugljičnog dioksida u tijelu.

NASA je uporedila blizance astronauta da vidi kako se ljudsko tijelo mijenja u svemiru

U mikrogravitaciji, osoba će biti prisiljena da ne čini ništa: ne govorimo o boravku astronauta na ISS-u, već o letovima u duboki svemir. Kako bi saznali kako će takav režim utjecati na zdravlje astronauta, Evropska svemirska agencija (ESA) 21 dan 14 volontera u krevetu sa nagnutom glavom. Eksperiment, koji će omogućiti praktično testiranje najnovijih metoda borbe protiv bestežinskog stanja - kao što su poboljšani režimi vježbanja i prehrane - zajednički će provesti NASA i Roscosmos.

Ali u slučaju da ljudi odluče poslati brodove na Mars ili Veneru, bit će potrebna ekstremnija rješenja – umjetna gravitacija.

Kako gravitacija može postojati u svemiru

Prije svega, vrijedi shvatiti da gravitacija postoji posvuda - na nekim mjestima je slabija, na drugima jača. I svemir nije izuzetak.

ISS i sateliti su pod stalnim uticajem gravitacije: ako je objekat u orbiti, on, jednostavnije rečeno, pada oko Zemlje. Sličan efekat se javlja i ako se lopta baci naprijed – prije nego što udari o tlo, ona će malo letjeti u smjeru bacanja. Ako bacite jače loptu, ona će letjeti dalje. Ako ste superman i lopta je raketni motor, ona neće pasti na tlo, već će letjeti oko nje i nastaviti rotirati, postepeno ulazeći u orbitu.

Mikrogravitacija pretpostavlja da ljudi unutar broda nisu u zraku - oni padaju s broda, koji zauzvrat pada oko Zemlje.

Budući da je gravitacija sila privlačenja između dvije mase, ostajemo na površini Zemlje kada hodamo po njoj, umjesto da lebdimo u nebo. U ovom slučaju, cijela masa Zemlje privlači masu naših tijela u svoj centar.

Kada brodovi odu u orbitu, oni slobodno plutaju u svemiru. Oni su i dalje podložni Zemljinoj gravitaciji, ali brod i objekti ili putnici u njemu podložni su gravitaciji na isti način. Postojeći uređaji nisu dovoljno masivni da bi stvorili primetnu privlačnost, pa ljudi i predmeti u njima ne stoje na podu, već „lebde“ u vazduhu.

Kako stvoriti umjetnu gravitaciju

Veštačka gravitacija kao takva ne postoji, da bi je stvorio čovek treba da nauči sve o prirodnoj gravitaciji. U naučnoj fantastici postoji koncept simulacije gravitacije: omogućava posadi svemirskih brodova da hoda po palubi, a objektima da stoje na njoj.

U teoriji, postoje dva načina za simulaciju gravitacije, a nijedan od njih još uvijek nije korišten u stvarnom životu. Prvi je korištenje centripetalne sile za modeliranje gravitacije. U ovom slučaju, brod ili stanica bi trebali biti konstrukcija nalik kotaču koja se sastoji od nekoliko segmenata koji se stalno rotiraju.

Prema ovom konceptu, centripetalno ubrzanje aparata, gurajući module prema centru, stvoriće privid gravitacije ili uslove slične onima na Zemlji. Ovaj koncept je demonstriran u Odiseji u svemiru Stanleya Kubricka iz 2001. i Interstellar Christophera Nolana.

Koncept aparata koji stvara centripetalno ubrzanje kako bi simulirao gravitaciju

Autor ovog projekta je njemački raketni naučnik i inženjer Wernher von Braun, koji je vodio razvoj rakete Saturn-5, koja je dopremila posadu Apolla 11 i nekoliko drugih vozila s ljudskom posadom na Mjesec.

Kao direktor NASA-inog centra za svemirske letove Marshall, von Braun je popularizirao ideju ruskog naučnika Konstantina Ciolkovskog o izgradnji toroidalne svemirske stanice zasnovane na dizajnu glavčine kotača bicikla. Ako se kotač okreće u prostoru, tada inercija i centrifugalna sila mogu stvoriti neku vrstu umjetne gravitacije koja vuče predmete prema vanjskom obodu točka. Ovo će omogućiti ljudima i robotima da hodaju po podu kao na Zemlji, umjesto da lebde u zraku kao na ISS-u.

Međutim, ova metoda ima značajne nedostatke: što je svemirska letjelica manja, to se mora brže rotirati - to će dovesti do pojave takozvane Cornolisove sile, u kojoj će na tačke koje se nalaze dalje od centra gravitacija više uticati nego na tačke bliže na to.. Drugim riječima, sila gravitacije će više djelovati na glavu astronauta nego na noge, što im se vjerovatno neće svidjeti.

Da bi se izbjegao ovaj efekat, veličina broda bi trebala biti nekoliko puta veća od veličine nogometnog igrališta – stavljanje takvog uređaja u orbitu bit će izuzetno skupo, s obzirom na to da cijena jednog kilograma tereta prilikom komercijalnog lansiranja varira od 1.500 dolara do 3,000 dolara.

Druga metoda stvaranja simulirane gravitacije je praktičnija, ali i izuzetno skupa - ovo je metoda ubrzanja. Ako brod na određenom segmentu puta prvo ubrza, a zatim se okrene i počne usporavati, tada će doći do efekta umjetne gravitacije.

Za implementaciju ove metode bit će potrebne ogromne rezerve goriva - činjenica je da motori moraju raditi gotovo neprekidno osim kratke pauze usred putovanja - za vrijeme okretanja broda.

Pravi primjeri

Uprkos visokim troškovima lansiranja gravitacionih simuliranih vozila, kompanije širom sveta pokušavaju da naprave takve brodove i stanice.

Fondacija Gateway, istraživačka fondacija koja planira da izgradi rotirajuću stanicu u Zemljinoj orbiti, pokušava implementirati Von Braunov koncept. Pretpostavlja se da će po obodu točka biti smještene kapsule, koje mogu kupiti javne i privatne zrakoplovne kompanije radi istraživanja. Neke od kapsula će se prodavati kao vile najbogatijim ljudima na svijetu, dok će se druge koristiti kao hoteli za svemirske turiste Predstavljena je rotirajuća svemirska letjelica Nautilus-X sa modulima na naduvavanje, koja je trebala smanjiti uticaj mikrogravitacije na naučnike na board.

Projekat je trebao koštati samo 3,7 milijardi dolara - vrlo malo za takve uređaje - a za njegovu izgradnju bila bi potrebna 64 mjeseca. Međutim, Nautilus-X nikada nije otišao dalje od originalnih crteža i prijedloga.

Zaključak

Do sada je najvjerovatniji način da se dobije simulacija gravitacije koja će zaštititi brod od efekata ubrzanja i dati konstantno povlačenje bez stalnog korištenja potisnika je detektiranje čestice s negativnom masom. Sve čestice i antičestice koje su naučnici ikada otkrili imaju pozitivnu masu. Poznato je da su negativna masa i gravitaciona masa jedna drugoj jednake, ali do sada istraživači to znanje nisu uspjeli dokazati u praksi.

Istraživači iz eksperimenta ALPHA u CERN-u već su stvorili antihidrogen - stabilan oblik neutralne antimaterije - i rade na tome da ga izoluju od svih ostalih čestica pri vrlo malim brzinama. Ako naučnici to uspiju, vjerovatno je da će u bliskoj budućnosti umjetna gravitacija postati stvarnija nego što je sada.

B.V. Raushenbakh, saradnik Koroljeva, govorio je o tome kako je nastala ideja o stvaranju umjetne gravitacije na svemirskom brodu: krajem zime 1963., glavni dizajner, koji je čistio snijeg sa staze u blizini svoje kuće na Ostankinskoj Street je, moglo bi se reći, imala ideju. Ne čekajući ponedeljak, pozvao je Raušenbaha, koji je živeo u blizini, i ubrzo su počeli da "raščišćavaju put" u svemir za duge letove.
Ideja se, kao što to često biva, pokazala jednostavnom; mora biti jednostavno, inače možda neće uspjeti u praksi.

Za kompletiranje slike. Mart 1966, Amerikanci na Blizancima 11:

U 11:29 Gemini 11 iskrcao se iz Agene. Počelo je najzanimljivije: kako će se ponašati dva objekta povezana kablom? Konrad je u početku pokušao da uvede gomilu u gravitacionu stabilizaciju - tako da je raketa visila na dnu, brod na vrhu, a sajla je bila zategnuta.
Međutim, nije bilo moguće povući se 30 m bez izazivanja jakih vibracija. U 11:55 prešli smo na drugi dio eksperimenta - "vještačka gravitacija". Konrad je stavio iglu u rotaciju; kabel se prvo protezao duž zakrivljene linije, ali se nakon 20 minuta ispravio i rotacija je postala sasvim ispravna. Konrad je svoju brzinu doveo na 38°/min, a nakon večere na 55°/min, stvarajući težinu na nivou od 0,00078g. “Na dodir” se to nije osjetilo, ali su se stvari polako složile na dno kapsule. U 14:42, nakon tri sata rotacije, igla je ispaljena, a Gemini se udaljio od projektila.