Штучна гравітація: як її досягти і навіщо вона потрібна? Чому у нас немає штучної гравітації у космосі? Чи можливо створити штучну гравітацію?

Текст роботи розміщено без зображень та формул.
Повна версія роботи доступна у вкладці "Файли роботи" у форматі PDF

Цілі та завдання дослідження

Метою моєї науково-дослідної роботи є розгляд такої фундаментальної взаємодії як гравітація, його явищ і проблема космічних поселень зі штучним тяжінням, розгляд особливостей використання різного виду двигунів для створення штучної гравітації, розвиток уявлень про життя в космосі в умовах штучної гравітації та вирішення проблем, що виникають при створення цього проекту, інтеграція патентів передових технологій до вирішення проблем штучної гравітації.

Актуальність дослідження.

Космічні поселення є видом космічних станцій, на яких людина змогла б проживати протягом тривалого часу або навіть все життя. Для створення таких поселень потрібно продумати всі необхідні умови для оптимальної життєдіяльності - систему життєзабезпечення, штучну силу тяжкості, захист від космічних впливів тощо. І хоча реалізувати всі умови досить складно, низка письменників-фантастів та інженерів вже створила кілька проектів, за якими, можливо, в майбутньому буде створено дивовижні космічні поселення.

Значимість та новизна дослідження.

Штучна гравітація є перспективним напрямом для досліджень, адже вона забезпечить довготривале перебування у космосі та можливість далеких космічних перельотів. Побудова космічних поселень може дати кошти на подальших досліджень; якщо запустити програму космічного туризму, що буде дуже дорогим задоволенням, космічні корпорації отримають додатковий потік фінансування, і дослідження можна буде проводити у всіх напрямках, не обмежуючись можливостями.

Гравітація. Гравітаційні явища. Гравітація.

Гравітація - один із чотирьох типів фундаментальних взаємодій, або іншими словами - така сила тяжіння, спрямована до центру маси будь-якого об'єкта та до центру мас скупчення об'єктів; що більше маса, то вище гравітація. При віддаленні від об'єкта сила тяжіння до нього прагне нуля, але у ідеальних умовах не зникає ніколи. Тобто, якщо уявити абсолютний вакуум без жодної зайвої частинки будь-якого походження, то в цьому просторі будь-які об'єкти, що володіють хоч нескінченно малою масою, за відсутності будь-яких інших зовнішніх сил будуть притягуватися один до одного на будь-якій нескінченно далекій відстані.

При мінімальних швидкостях гравітація описується механікою Ньютона. А при швидкостях, порівнянних зі швидкістю світла, гравітаційні явища описуються СТО.

А. Ейнштейна.

В рамках механіки Ньютона гравітація описується законом всесвітнього тяжіння, який свідчить, що два точкових (або сферичних) тіла притягуються один до одного з силою прямо пропорційною добутку мас цих тіл, обернено пропорційною квадрату відстані між ними і діючою вздовж прямої тіла, що з'єднує ці тіла.

У наближенні великих швидкостей гравітація пояснюється СТО, яка має два постулати:

Принцип відносності Ейнштейна, який говорить про те, що природні явища однаково протікають у всіх інерційних системах відліку.

Принцип сталості швидкості світла, який говорить про те, що швидкість світла у вакуумі постійна (суперечить закону складання швидкостей).

Для опису гравітації розроблено особливе розширення теорії відносності, у якому допускається кривизна простору-часу. Тим не менш, динаміка навіть у рамках СТО може включати гравітаційну взаємодію, поки потенціал гравітаційного поля набагато менший. Слід зазначити, що СТО перестає працювати у масштабах всього Всесвіту, вимагаючи заміни на ЗТО.

Гравітаційні явища.

Найяскравішим гравітаційним явищем вважається тяжіння. Також існує інше явище, пов'язане з гравітацією – невагомість.

Завдяки гравітаційним силам ми ходимо по землі, і наша планета існує, як і весь Всесвіт. Але що станеться, якщо ми покинемо планету? Ми відчуватимемо одне з яскравих гравітаційних явищ - невагомість. Невагомість - такий стан тіла, при якому на нього не діють ніякі сили крім гравітаційних, або скомпенсовані ці сили.

Астронавти, які перебувають на МКС, перебувають у стані невагомості, що негативно позначається на їхньому здоров'ї. При переході з умов земної гравітації до умов невагомості (насамперед при виході космічного корабля на орбіту), у більшості космонавтів спостерігається реакція організму, звана синдромом космічної адаптації. При тривалому (більше тижня) перебування людини в космосі відсутність гравітації починає викликати в організмі певні зміни, які мають негативний характер. Перший і очевидний наслідок невагомості — стрімке атрофування м'язів: мускулатура фактично вимикається з діяльності, у результаті погіршуються всі фізичні характеристики організму. Крім того, наслідком різкого зменшення активності м'язових тканин є скорочення споживання організмом кисню, і через надлишок гемоглобіну може знизитися діяльність кісткового мозку, що синтезує його. Також є підстави вважати, що обмеження рухливості порушує фосфорний обмін у кістках, що призводить до зниження їхньої міцності.

Для того, щоб позбутися негативних ефектів невагомості, необхідно створити штучне тяжіння в космосі.

Штучна гравітація та космічні поселення. Ранні дослідження XX ст.

Ціолковський запропонував теорію ефірних поселень, які були тором, який повільно обертається навколо своєї осі. Але тоді такі ідеї були утопією і всі його проекти залишилися на ескізах.

Перший опрацьований проект було запропоновано австрійським ученим Германом Нордрунгом у 1928 році. Це також була станція у формі тора, що включає житлові модулі, електрогенератор і астрономічний обсерваторний модуль.

Наступний проект був запропонований Вернером фон Брауном, провідним спеціалістом американської космічної програми, він також був тороподібною станцією, де люди жили б і працювали в приміщеннях, з'єднаних в один великий коридор. Проект Вернера був одним із пріоритетних напрямів НАСА до появи проекту Skylab у 60-х.

Skylab – перша та єдина національна орбітальна станція США, призначалася для технологічних, астрофізичних, медико-біологічних досліджень, а також для спостереження Землі. Запущена 14 травня 1973, прийняла три експедиції на кораблях «Аполлон» з травня 1973 по лютий 1974, зійшла з орбіти і зруйнувалася 11 липня 1979 року.

Далі в 1965 році Американським космічним товариством було висунуто припущення, що ідеальною формою для космічних поселень буде тор, оскільки всі модулі розташовані разом, сила тяжіння матиме максимальну величину. Проблема штучної гравітації була багато в чому вирішеною.

Наступним проект висунув Джерард О'Нілл, він припускав створення колоній, для яких пропонується використовувати два гігантські розміри циліндра, ув'язнених у раму і обертаються в різні боки. Ці циліндри обертаються навколо своєї осі зі швидкістю близько 0,53 обороту за хвилину, рахунок чого у колонії створюється звична в людини сила тяжкості.

У 1975 р. Паркер висунув проект створення колонії діаметром 100 м і завдовжки 1 км, віддаленої відстань близько 400 000 км від Землі та Місяця і розрахованого на 10 000 людина. Обертання навколо поздовжньої осі зі швидкістю 1 обороту за 21 секунду створить у ньому близьку до земної гравітацію.

У 1977 р. науковим співробітником Дослідницького центру Еймса (НАСА) Річардом Джонсоном та професором Чарльзом Холброу з Університету Колгейта вийшла робота «Космічні поселення», в якій розглядалися перспективні дослідження поселень у формі тора.

У 1994 році під керівництвом д-ра Родні Гелловея за участю наукових співробітників та лаборантів Лабораторії Філіпса та Лабораторії Сандія, а також інших дослідницьких центрів ВПС США та Космічного дослідницького центру Аризонського університету було складено об'ємне керівництво для проектування космічних поселень у формі.

Сучасні дослідження.

Одним із сучасних проектів у галузі космічних поселень є Стендфордський тор, який є прямим нащадком ідей Вернера фон Брауна.

Стенфордський тор був запропонований НАСА протягом літа 1975 студентами Стенфордського університету з метою осмислити проект майбутніх космічних колоній. Пізніше Джерард О’Ніл представив свій «Острів Один» або «Сферу Бернала» як альтернативу тору. «Стенфордський тор», тільки в більш детальній версії, що є концепцією кільцеподібної космічної станції, що обертається, був представлений Вернером фон Брауном, а також австрійським інженером словенського походження Германом Поточником.

Він є тор діаметром близько 1,8 кілометра (для проживання 10 тисяч осіб, як описувалося в роботі 1975 року) і обертається навколо своєї осі (оборот за хвилину), створюючи на кільці штучну гравітацію в 0,9 - 1 g за рахунок відцентрової сили.

Сонячне світло надходить усередину через систему дзеркал. Кільце з'єднується зі маточкою через «спиці» -коридори для руху людей та вантажів до осі та назад. Ступиця – вісь обертання станції – найкраще підходить для стикувального вузла прийому космічних кораблів, оскільки штучна гравітація тут незначна: тут знаходиться нерухомий модуль, пристикований до осі станції.

Внутрішній простір тора є житловим, воно досить велике для створення штучної екосистеми, природного оточення і всередині подібно до довгої вузької льодовикової долині, чиї кінці, зрештою, згинаються вгору, щоб сформувати коло. Населення живе тут в умовах, подібних до густонаселеного передмістя, причому, всередині кільця є відділення для заняття сільським господарством, і житлова частина. (Додаток 1)

Космічні поселення та штучна гравітація у культурі. Elysium

Світи-кільця, якими вони представлені, наприклад, у фантастичному бойовику Елізіум або відеогрі Halo, є, мабуть, одними з найцікавіших ідей для космічних станцій майбутнього. В «Елізіумі» станція знаходиться близько до Землі і, якщо ігнорувати її розміри, має певну частку реалістичності. Проте найбільша проблема тут полягає у її «відкритості», що вже лише на вигляд — чиста фантастика.

"Можливо, найспірнішим питанням щодо станції "Елізіум" є її відкритість для космічного середовища".

«У фільмі показано, як космічний корабель просто сідає на лужок після того, як прилітає з відкритого космосу. Тут немає жодних стикувальних шлюзів тощо. Адже така станція має бути повністю ізольована від зовнішнього середовища. В іншому випадку атмосфера тут довго не затримається. Можливо, відкриті ділянки станції можна буде захистити якимось невидимим полем, яке дозволить сонячному світлу проникати всередину та підтримувати життя у висаджених тут рослинах та деревах. Але поки що це лише фантастика. Таких технологій немає».

Сама ідея станції у формі кілець чудова, але поки що нереалізована.

Star Wars

Майже кожен любитель науково-фантастичних фільмів знає, що таке «Зірка смерті». Це така велика сіра та кругла космічна станція з кіноепопеї «Зоряні війни», що зовні дуже нагадує Місяць. Це міжгалактичний нищівник планет, який по суті сам є штучною планетою, що складається зі сталі та населеної штурмовиками.

Чи можемо ми насправді побудувати таку штучну планету і борознити на ній простори галактики? Теоретично — так. Тільки на це знадобиться неймовірна кількість людських та фінансових ресурсів.

Питання будівництва «Зірки смерті» порушувалося навіть американським Білим будинком, після того, як суспільство надіслало відповідну петицію для розгляду. Офіційна відповідь влади гласила, що тільки на сталь для будівництва потрібно 852 000 000 000 000 000 доларів.

Але навіть якщо питання фінансів не було б пріоритетним, то людство не має технологій, щоб відтворити «Зірку смерті», оскільки необхідна величезна кількість енергії для її руху.

(Додаток 2)

Проблеми реалізації проекту космічних поселень.

Космічні поселення є перспективним напрямом у космічній галузі майбутнього, але як завжди є труднощі, які необхідно подолати для виконання цього завдання.

Початкові капітальні витрати;

Внутрішні системи життєзабезпечення;

створення штучної сили тяжіння;

Захист від ворожих зовнішніх умов:

від радіації;

забезпечення тепла;

від сторонніх об'єктів;

Вирішення проблем штучної гравітації та космічних поселень.

Початкові капітальні витрати - цю проблему можна вирішити спільно, якщо люди відкладуть свої особисті амбіції і працюватимуть на благо великої мети. Адже лише від нас залежить майбутнє людства.

Внутрішні системи життєзабезпечення - вже зараз на МКС присутні системи для повторного використання води, але цього мало, за умови достатності місця на орбітальній станції можна знайти місце для оранжереї в якій будуть рости рослини, що виділяють максимум кисню, також має місце створення гідропонічних лабораторій для вирощування ГМО, які зможуть постачати продовольством все населення станції.

Створення штучної сили тяжіння не така вже й складна задача, як доставка величезної кількості палива необхідного для обертання станції.

1. Є кілька шляхів вирішення проблеми.
  1. 1. Якщо потрібно порівняти ефективність різних типів двигунів, інженери зазвичай говорять про питому імпульс. Питома імпульс визначається як зміна імпульсу на одиницю маси витраченого палива. Таким чином, чим ефективніший двигун, тим менше палива потрібне для виведення ракети в космос. Імпульс, своєю чергою, є результатом дії сили протягом певного часу. Хімічні ракети, хоч і мають дуже великий потяг, працюють лише кілька хвилин, тому характеризуються дуже низьким питомим імпульсом. Іонні двигуни, здатні працювати роками, можуть мати високий питомий імпульс за дуже низької тяги.

Використовувати стандартний підхід та застосувати до вирішення проблеми реактивні двигуни. Розрахунки показують, що при використанні будь-якого відомого реактивного двигуна будуть потрібні величезні кількості палива, щоб утримувати станцію хоча б рік.

Питомий імпульс I (ЗРД) = 4,6

Питома імпульс I (РДТТ) = 2,65

Питома імпульс I (ЕРД) = 10

Питомий імпульс I (Плазмовий двигун) = 290

Така витрата палива за 1 рік, отже, використовувати реактивні двигуни нерозумно.

Розглянемо елементарний випадок.

Нехай у нас є карусель, яка є нерухомою. Тоді, якщо ми закріпимо n число однополярних електромагнітів по краю каруселі так, щоб сила їхньої взаємодії була максимальною, отримаємо наступне: якщо ми включимо електромагніт №1 так що він буде діяти на електромагніт №2 з силою в x разів більше, ніж другий діє на перший, то згідно з III законом Ньютона сила дії електромагніту №1 на №2 з боку №2 буде компенсована силою реакції опори каруселі, що виведе карусель зі стану спокою. Тепер виключимо №1, піднімемо силу №2 до №1 і включимо №3 із силою, що дорівнює №2 на попередньому етапі і якщо продовжувати цю процедуру, то досягнемо обертання каруселі. Застосувавши цей спосіб до космічної станції ми отримаємо вирішення проблеми штучної гравітації.

(Додаток 3).

Захист від ворожих умов середовища

патентовласник Ребеко Олексій Геннадійович

Винахід відноситься до методів та засобів захисту екіпажу та обладнання від іонізуючого випромінювання (заряджених частинок високої енергії) при космічних польотах. Згідно винаходу навколо космічного апарату створюють захисне статичне електричне або магнітне поле, яке локалізують в просторі між двома вкладеними один в одного замкнутими поверхнями, що не торкаються. Захищений простір космічного апарату обмежено внутрішньою поверхнею, а зовнішня поверхня ізолює апарат і простір, що захищається від міжпланетної плазми. Форма поверхонь може бути довільною. При використанні електричного захисного поля на вказаних поверхнях утворюють заряди однієї величини та протилежного знака. У такому конденсаторі електричне поле зосереджено у просторі між поверхнями-обкладками. У разі магнітного поля поверхнями пропускають струми протилежного напрямку, а співвідношення сили струмів підбирають так, щоб мінімізувати значення залишкового поля зовні. Бажана форма поверхонь у цьому випадку – тороїдальна, для забезпечення суцільного захисту. Під дією сили Лоренца заряджені частинки рухатимуться по криволінійних траєкторіях, що відхиляють, або замкнутим орбітам між поверхнями. Можливе одночасне застосування електричного та магнітного поля між поверхнями. При цьому в простір між поверхнями може бути поміщений матеріал для поглинання заряджених частинок: наприклад, рідкий водень, вода або поліетилен. Технічний результат винаходу спрямований на створення надійного, суцільного (геометрично безперервного) захисту від космічної радіації, на спрощення конструкції засобів захисту та зниження енерговитрат на підтримку захисного поля.

патентовласникВідкрите акціонерне товариство "Ракетно-космічна корпорація "Енергія" ім. С.П. Корольова"

Система терморегулювання космічного апарату та орбітальної станції, що містить замкнуті контури охолодження та обігріву, пов'язані через, принаймні, один проміжний рідинно-рідинний теплообмінник, системи управління та вимірювання, клапанно-розподільну та дренажно-заправну арматуру, при цьому контур обігріву , газорідинні та змійникові теплообмінники та термоплати, а в контурі охолодження послідовно встановлені, принаймні, один спонукач циркуляції, регулятор витрати рідини, один вихід якого підключений через перший зворотний клапан до входу змішувача потоків теплоносія, а інший через другий зворотний клапан - до входу радіаційного теплообмінника, вихід якого підключений до другого входу змішувача потоків, вихід змішувача потоків пов'язаний з'єднувальним трубопроводом з теплоприймальною порожниною проміжного рідинно-рідинного теплообмінника, вихід з якої підключений до спонукувача циркуляції, на сполучному трубоп роводе встановлені датчики температури, електрично пов'язані через систему управління з регулятором витрати рідини, що відрізняється тим, що в контур охолодження додатково введені два електронасосні агрегати, причому вхід першого електронасосного агрегату через фільтр підключений до виходу теплоносія з теплоприймаючої порожнини проміжного рідинно-рідинного теплообмінника вихід підключений до другого зворотного клапана і паралельно через фільтр до входу другого електронасосного агрегату, вихід якого підключений до першого зворотного клапана, при цьому кожен електронасосний агрегат забезпечений датчиком перепаду тиску, а на трубопроводі, що з'єднує вихід змішувача потоків з теплоприймальною порожниною рідинно-рідинного теплообмінника , встановлений додатковий датчик температури, електрично пов'язаний через систему управління першим електронасосним агрегатом.

Існує безліч способів захисту від сторонніх тіл.

Використовувати нестандартні двигуни, такі як електромагнітний прискорювач зі змінним питомим імпульсом;

Обернути астероїд пластиковим сонячним вітрилом, що відбиває, використовуючи вкриту алюмінієм плівку типу PET;

«Пофарбувати» або посипати об'єкт діоксидом титану (білий колір) або сажею (чорний), щоб викликати ефект Ярковськогота змінити його траєкторію;

Вчений-планетолог Юджин Шумейкер у 1996 році запропонував випускати хмара пари на шляху об'єктадля його обережного уповільнення. Нік Забо в 1990 році намалював схожий задум, «аеродинамічний гальмування комети»: комета або льодова конструкція націлюється на астероїд, після чого ядерні вибухи випаровують лід та формується тимчасова атмосфера на шляху астероїду;

Прикріпити до астероїда важкий баласт, щоб за допомогою усунення центру тяжіння змінити його траєкторію;

Використати лазерну абляцію;

Використовувати ударно-хвильовий випромінювач;

Ще один «безконтактний» метод був нещодавно запропонований вченими Ц. Бомбарделі та Дж. Пелез із Технічного університету Мадрида. У ньому пропонується використовувати іонну гарматуз низькою дивергенцією, спрямовану на астероїд з корабля, що знаходиться поруч. Кінетична енергія, що передається через іони, що доходять до поверхні астероїда, як і у випадку з гравітаційним буксиром створить слабку, але постійну силу, здатну відхилити астероїд, і при цьому буде використовуватися більш легкий корабель.

Підрив ядерного пристроюнад, або під поверхнею астероїда є потенційним варіантом відображення загрози. Оптимальна висота вибуху залежить від складу та розміру об'єкта. У разі загрози з боку купи уламків, щоб уникнути їхнього розсіювання, пропонується зробити радіаційну імплозію, тобто підрив над поверхнею. При вибуху енергія, що вивільнилася, у вигляді нейтронів і м'яких рентгенівських випромінювань (які не проникають крізь речовину) перетворюється на тепло при досягненні поверхні об'єкта. Тепло перетворює речовину об'єкта на викид, і він зійде з траєкторії, наслідуючи третій закон Ньютона, викид попрямує в один бік, а об'єкт — на протилежний.

Електромагнітна катапульта- Це автоматична система, що розташовується на астероїді, що випускає речовину, з якої він складається, в космос. Тим самим він повільно зрушується та втрачає масу. Електромагнітна катапульта повинна працювати як система з низьким питомим імпульсом: використовувати багато палива, але мало енергії.

Сенс полягає в тому, що якщо використовувати речовину астероїда як паливо, то кількість палива не така важлива, як кількість енергії, яка, найімовірніше, буде обмежена.

Ще один можливий спосіб - розташувати електромагнітну катапульту на Місяці, націливши її на навколоземний об'єкт, для того, щоб скористатися орбітальною швидкістю природного супутника та його необмеженим запасом «кам'яних куль».

Висновок.

Проаналізувавши подану інформацію стає зрозуміло, що штучна гравітація — це цілком реальне явище, яке матиме широке застосування в космічній галузі, як тільки ми подолаємо всі труднощі, пов'язані з цим проектом.

Космічні поселення я бачу у тому вигляді, який запропонував фон Браун: тороподібні світи з оптимальним використанням простору та із застосуванням передових технологій для забезпечення тривалої життєдіяльності, а саме:

Використання передових технологій для забезпечення потреб станції:

Гідропоніка
- Рослини не потрібно багато поливати. Води витрачається набагато менше, ніж при вирощуванні на ґрунті на городі. Незважаючи на це, при правильному доборі мінеральних речовин та компонентів рослини не пересихатимуть чи гнитимуть. Це відбувається за рахунок отримання достатньої кількості кисню.
  
  Великим плюсом є те, що такий метод дозволяє захистити рослини від багатьох хвороб та шкідників. Самі рослини не вбиратимуть у себе шкідливі речовини з ґрунту.
  
  Відтак буде максимальна врожайність, що повністю покриє потреби мешканців станції.

Регенерація води

Конденсація вологи із повітря.

Очищення використаної води.

Переробка урини та твердих відходів.

За енергозабезпечення відповідатиме кластер ядерних реакторів, які будуть екрановані згідно з патентом № 2406661 адаптованого на витіснення радіоактивних частинок за межі станції.

Завдання зі створення космічних поселень важке, але здійсненне. Я сподіваюся, що в найближчому майбутньому, зважаючи на швидкий розвиток науки і техніки, всі необхідні передумови для створення та розвитку космічних поселень на основі штучної гравітації будуть виконані. Мій посильний внесок у цю потрібну справу буде оцінено. Майбутнє людства лежить у освоєнні космосу та переходу на новий, перспективніший, екологічно чистий виток спіралі розвитку людства.

Програми

Додаток 1. Стенфордський тор

Додаток 2. Зірка смерті, Елізіум.

Додаток 3. Схема обертального руху.

Рівнодійна сил у першому наближенні (тільки взаємодія магнітів). У результаті станція здійснює обертальний рух. Що нам і потрібне.

Список літератури

АЛЯКРИНСЬКИЙ. Людина живе у космосі. Невагомість: плюс чи мінус?

Барер, М. Ракетні двигуни.

Добровольський, М. Рідкісні ракетні двигуни. Основи проектування.

Дорофєєв, А. Основи теорії теплових ракетних двигунів

Матвєєв. Механіка та теорія відносності: Підручник для студентів вузів.

М'якішів. Молекулярна фізика та термодинаміка.

М'якішів. фізика. Механіка.

М'якішів. фізика. Електродинаміка.

Рассел, Д. Гідропоніка.

Санько. Астрономічний словник.

Сивухін. Загальний курс фізики

Фейнман. Фейнманівські лекції з гравітації.

Ціолковський. Праці з ракетної техніки.

Шилейка. В океані енергія.

Голубєв І.Р. та Новіков Ю.В. Навколишнє середовище та його охорона

Захлібний О.М. Книга для читання з охорони навколишнього середовища

Звєрєв І. Охорона природи та екологічне виховання школярів.

Іванов А.Ф. Фізичний експеримент із екологічним змістом.

Кисельов С.В. Демонстрація парникового ефекту.

Інтернет ресурси:

https://ua.wikipedia.org/wiki/Заголовна_сторінка

http://www.roscosmos.ru

http://allpatents.ru

Гравітація – одна з фундаментальних сил Всесвіту. Він визначає світ, як ми знаємо, пов'язуючи космос разом. Без гравітації все буде постійно відходити від решти. Це такий основний будівельний блок фізики, що ми часто сприймаємо це як належне. Страшно думати, що станеться, якщо хтось просто поверне метафоричну гравітацію Землі. Ми були б викинуті з поверхні Землі до космосу через інерцію обертального руху Землі. Якби ми відключили гравітацію Сонця, нічого не вийшло б, якби сонячна система була разом. Ми стали свідками хаосу в неймовірних масштабах, коли планети стикалися одна з одною, і метеори нападали на нас, як буря руйнувань.

Однак так само важливо, як і гравітація, є деякі сценарії, в яких певний ступінь контролю над ним був би надзвичайно корисним. Уявіть, що ви без літаків літаєте або перевозите важкі предмети майже без зусиль. В даний час астронавти зазнають безліч фізіологічних змін під час невагомих космічних подорожей, і більшість цих змін негативно впливають на них. Вони страждають від м'язової дистрофії, втрати кісткової маси, дезорієнтації та інших нульових ефектів. Тому міжзоряна подорож була б набагато легшою, якби гравітація могла бути синтезована штучно. Що відбувається, має спуститися, чи не так? Це факт? Чим більше ви, тим складніше ви падаєте? Правда чи вигадка?

Тепер погляньмо, наскільки ми близькі до фактичного використання сили тяжіння.

Визначення сили тяжіння

Як імітувати гравітацію?

Обертання приводило б у рух будь-який об'єкт усередині космічного корабля до основи і від центру обертання. Резистивна сила від основи корпусу діятиме як нормальна сила, що діє на нас земною поверхнею при стоянні. Відцентрова сила, що підштовхує нас до основи корпусу, діятиме як гравітаційна сила, яку Земля чинить на нас.

Однак є одна застереження. У цій системі штучні рівні дуже різняться залежно від відстані від центру обертання. Отже, штучна гравітація, яка випробовується на ногах, була б більшою, ніж у голови. Це може зробити рух та зміну положення тіла незручним. Однак цей ефект можна було б зменшити, якщо радіус судна був набагато більшим за висоту середньої людини.

Лінійне прискорення: подорож у космічному роликовому каботажі

Збільшення швидкості, тобто. прискорення відбувається через сили тяжіння. Це основна причина, чому коли ми вільно падаємо, наша швидкість збільшується. Це прискорення можна моделювати як прискорюючого космічного корабля. Космічний апарат із постійним прискоренням по прямій призвів би до появи гравітаційного тяжіння у протилежному напрямку. Це призведе до того, що об'єкт буде прискорений, щоб випробувати силу, що його тягне назад. Якщо вам цікаво, наскільки комфортно це буде в постійному прискоренні, не турбуйтеся, тому що це ви відчуваєте весь час через гравітаційну тягу Землі, роликові підставки та спортивні автомобілі. Крім того, тіло не знатиме, що воно рухається, якщо немає прискорення. Думаю про це

Земля обертається близько 1700 кілометрів на годину на екваторі, але ми цього не відчуваємо, тому що ця швидкість є постійною і прискорення немає.

Лінійне прискорення в космічних польотах вимагатиме величезної кількості ракетного палива, тоді як стратегія обертання не потребує постійного застосування сили. Тим не менш, потрібне постійне лінійне прискорення, оскільки на додаток до штучної гравітації воно теоретично може забезпечити відносно короткий час польоту навколо сонячної системи.

Магнетизм :

Існує метод, за допомогою якого ефекти гравітації можуть бути створені за допомогою діамагнетизму, але для цього потрібні надзвичайно сильні магнітні поля. З такими сильними магнітними полями сумнівно, що він колись буде безпечним для використання людьми. Експериментально жаби і навіть щури були левітовані проти гравітації Землі, але це дуже малий масштаб. Машини, що використовують діамагнітизм для імітації сили тяжіння, можуть бути використані для безпечного забезпечення умов низької тяжкості, а міцність подібна до тієї, що може мати місце при місячній або марсіанській гравітації.

Жива жаба, що левітує всередині магнітного поля

Пара-гравітація:

Передбачалося, що штучно змодельована гравітація в космічному апараті, який не є ні, що обертається, ні прискорюється, також відомий як «парагравітація», не існує, але в даний час немає підтвердженої техніки, яка може імітувати гравітацію, відмінну від механічного або магнітного прискорення. Тим не менш, Мерфі з Interstellar розібрався в цьому, тому що це було тяжко?

Крім вищезгаданих методів існують простіші методи, що дозволяють звести нанівець ефекти гравітації та отримати майже нульові умови. Ці величезні людські центрифуги з довгою рукою, що обертаються, які ми бачимо в мультфільмах і фільмах, насправді дуже корисні при підготовці астронавтів до високих умов під час запуску.

Нейтральна плавучість - ще одна техніка, в якій люди навчаються вирішувати проблеми низького рівня, виконуючи прості завдання в середовищі плавального басейну, що моделюється.

Нейтральна плавучість не є невагомістю, оскільки ми все ще можемо відчувати напрямок тяжіння під водою, але це дуже близько наближається до умов космічного польоту.

Екологія пізнання. Тривале перебування у космосі має серйозні наслідки. Медичні дослідження про вплив мікрогравітації на астронавтів

Тривале перебування у космосі має серйозні наслідки. Медичні дослідження щодо впливу мікрогравітації на астронавтів після багатомісячного перебування на низькій навколоземній орбіті (НГО) дійшли гірких висновків: люди не можуть жити без гравітації повноцінно. Отже, штучна гравітація дедалі більше обговорюється як найважливіший компонент тривалої місії у космосі як із Землею, і далі від неї.

Штучна гравітація буде особливо важлива для багаторічних комерційних місій, де телеробототехніка керуватиметься екіпажем, розміщеним у безпосередній близькості від астероїда, на якому видобуваються корисні копалини та проводяться інші роботи. Така гравітація також буде корисною для багаторічних досліджень на тілах з низькою гравітацією на зразок Місяця, Марса або навіть супутників зовнішніх планет.

Вільям Кемп із Вашингтона вважає, що разом зі своїм діловим партнером Тедом Мазейкою знайшов життєздатне вирішення цих питань. Це 30-метрова діаметрі циліндрична космічна станція, здатна створювати змінну штучну гравітацію з обертанням циліндра навколо її поздовжньої осі.

"Якщо ми хочемо залишатися в космосі довше року, нам потрібно зробити систему штучної гравітації або ми жертвуватимемо людьми в цьому процесі", - говорив Кемп, засновник та CEO United Space Structures.

Протягом більш як трьох десятиліть Кемп працював над удосконаленням своїх ідей. В даний час компанія має в проекті запатентований процес та шукає фінансування та інших партнерів, які можуть вкластися по-великому.

Ідея полягає в тому, щоб досягти штучної гравітації за рахунок відцентрової сили, яка вимагатиме обертання, що створює знижувальний тиск. Невелика 10-метрова структура, теоретично, може обертатися досить швидко, щоб люди відчували тяжіння, але Кемп каже, що астронавти з такою структурою матимуть жахливі проблеми внутрішнього вуха.

«Якщо швидкість обертання буде занадто великою, ваше почуття рівноваги вийде з ладу і скоро ви відчуватимете моторошний біль у руках і колінах», - говорить Кемп.

Проте невелика циліндрична станція діаметром 30 метрів, пропонована Кемпом, зможе підтримувати гравітацію в 0,6 земної; це мінімум, який дозволить людям безпечно жити на станції протягом щонайменше двох років. Астронавти житимуть як усередині циліндра, так і у зовнішній півкулі структури.

Кемп каже, що 30-метровій циліндричній станції знадобиться швидкість обертання в 5,98 обороти на хвилину та мінімальний корисний розмір для створення штучної гравітації. Швидка швидкість обертання була б незручною для астронавтів.

«Напрямок обертання циліндра не має значення, – каже Кемп. - швидкість залежить від радіуса об'єкта, що обертається, і гравітації, яка вам потрібна; що більше радіус, то нижча швидкість обертання».

Першим кроком у випробуваннях United Space Structures стане тест 30-метрового прототипу на НГО, каже Кемп. Хоча така 30-метрова станція може вмістити щонайменше 30 осіб, вона добре працюватиме і в глибокому космосі, і в навколоземних умовах видобутку ресурсів на астероїдах.

Які партнери займатимуться будівництвом цих станцій?

«Ми ведемо переговори з компаніями начебто Deep Space Industries , які хочуть видобувати ресурси на астероїдах, та з іншими компаніями, які хочуть видобувати ресурси на Місяці, - каже Кемп. - Ми хотіли б використовувати платформи запуску SpaceX, але це суттєво збільшить витрати, тому спочатку ми використовуватимемо композитні матеріали для будівництва, а не метали».

Незважаючи на прогнозовані стрибки у галузі космічної медицини протягом найближчих двох десятиліть, Кемп абсолютно переконаний, що штучна гравітація буде потрібна завжди. Згодом, в умовах мікрогравітації зменшується м'язова та кісткова маса, стискається зоровий нерв, відходить сітківка, знижується імунітет, можливо, навіть порушується критичне мислення.

Звичайно, це не означає, що штучна гравітація буде панацеєю.

В умовах зі штучної гравітації астронавти все одно знатимуть, що вони на станції, що обертається, говорить Кемп. Прогулянки на такій станції нагадуватимуть спуск схилом, бо підлога йтиме з-під ніг. Прогулянка у протилежному напрямку обертання нагадуватиме підйом у гору, оскільки підлога підніматиметься. А якщо ходити перпендикулярно до обертання в будь-якому напрямку, буде відчуття, що ти завалюєшся убік.

Проблеми з вестибулярним апаратом – це не єдиний наслідок тривалого перебування в умовах мікрогравітації. Астронавти, які проводять на МКС більше місяця, часто страждають від порушення сну, уповільнення роботи серцево-судинної системи та метеоризму.

Нещодавно НАСА завершило експеримент, під час якого вчені геном братів-близнюків: один із 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 гени, пов'язані з імунною системою, формуванням кісткової тканини, кисневим голодуванням та надмірною кількістю вуглекислого газу в організмі.

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

В умовах мікрогравітації людина буде змушена не діяти: йдеться 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 14 добровольців у нахилене у бік голови ліжко. Експеримент, який дозволить на практиці перевірити новітні методи боротьби з невагомістю – такі як покращені режими фізичних вправ та харчування – мають намір спільно провести НАСА та Роскосмос.

Але якщо люди вирішать відправити кораблі до Марса чи Венері, знадобляться більш екстремальні рішення - штучна гравітація.

Як гравітація може існувати у космосі

Насамперед варто зрозуміти, що гравітація існує скрізь - у деяких місцях вона слабша, в інших сильніша. І космічний простір не є винятком.

МКС та супутники знаходяться під постійним впливом гравітації: якщо об'єкт знаходиться на орбіті, він, спрощено кажучи, падає навколо Землі. Подібний ефект виникає, якщо кинути м'яч уперед – перш ніж впасти на землю, він трохи пролетить у 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 у повітрі - вони падають із корабля, а той, у свою чергу, падає навколо Землі.

Завдяки тому, що гравітація є силою тяжіння між двома масами, ми залишаємося на поверхні Землі, коли йдемо нею, а не впливаємо в небо. І тут вся маса Землі притягує масу наших тіл до свого центру.

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

Як створити штучну гравітацію

Штучної гравітації як такої не існує, щоб її створити, людині необхідно дізнатися про природну гравітацію. У науковій фантастиці існує концепція імітації гравітації: вона дозволяє екіпажу космічних кораблів ходити палубою, а предметам стояти у ньому.

У теорії існує два способи створити імітацію гравітації, і жоден з них поки що не був використаний у реальному житті. Перший - це використання доцентрової сили для моделювання сили тяжіння. Корабель або станція при цьому повинні являти собою колесоподібну конструкцію, що складається з декількох сегментів, що постійно обертаються.

Відповідно до цієї концепції, доцентрове прискорення апарату, що штовхає модулі до центру, створить подібність гравітації або умови, аналогічні земним. Ця концепція була продемонстрована у «Космічній одіссеї 2001 року» Стенлі Кубріка та у фільмі «Інтерстеллар» Крістофера Нолана.

Концепція апарату, що створює доцентрове прискорення для імітації гравітації

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

Будучи директором Центру космічних польотів імені Маршалла НАСА, фон Браун популяризував ідею російського вченого Костянтина Ціолковського про створення тороїдальної космічної станції на основі конструкції зі маточами, що нагадує велосипедне колесо. Якщо колесо обертається у просторі, то інерція та відцентрова сила можуть створити свого роду штучну гравітацію, яка тягне предмети до зовнішнього кола колеса. Це дозволить людям та роботам ходити по підлозі, як на Землі, а не плавати у повітрі, як на МКС.

Однак у цього методу є суттєві недоліки: 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 впливатиме сильніше, ніж на близькі до нього . Іншими словами, сила тяжіння діятиме на голову астронавтів сильніше, ніж на ноги, що навряд чи їм сподобається.

Щоб уникнути цього ефекту, розмір корабля повинен у кілька разів перевищувати розмір футбольного поля - виведення такого апарату на орбіту коштуватиме дуже дорого, враховуючи, що вартість одного кілограма вантажу при комерційних запусках варіюється від $1,5 до $3 тис.

Інший метод створення імітації гравітації практичніший, але також вкрай дорогий – йдеться про метод прискорення. Якщо корабель на певному відрізку шляху спочатку розганятиметься, а потім розгорнеться і почне гальмувати, то виникне ефект штучної гравітації.

Для реалізації цього методу будуть потрібні колосальні 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 у всьому світі намагаються побудувати такі кораблі та станції.

Реалізувати концепцію Фон Брауна намагається компанія Gateway foundation - дослідницький фонд, який планує побудувати станцію, що обертається, на орбіті Землі. Передбачається, що по колу колеса розташовуватимуться капсули, які зможуть купувати державні та приватні аерокосмічні компанії для проведення досліджень. Деякі капсули будуть продані як вілл найбагатшим мешканцям Землі, а інші будуть використовуватися як готелі для космічних туристів.

Передбачалося, що проект коштуватиме лише $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 та пропозицій.

Висновок

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

Дослідники з експерименту ALPHA в ЦЕРН вже створили антиводень - 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 більш реальною, ніж зараз.

Б.В. Раушенбах, соратник Корольова, розповів про те, як у того виникла ідея створення штучної тяжкості на космічному кораблі: наприкінці зими 1963 року головного конструктора, який розчищав доріжку від снігу біля свого будиночка на вулиці Останкінській, можна сказати, осяяло. Не дочекавшись понеділка, він зателефонував Раушенбаху, який жив неподалік, і незабаром вони разом почали «розчищати дорогу» до космосу для тривалих польотів.
Ідея, як найчастіше буває, виявилася простою; вона і повинна бути простою, інакше на практиці може нічого не вийти.

Для повноти картини. Березень 1966, американці на "Джеміні-11":

О 11:29 "Джеміні-11" був відстикований від "Аджени". Почалося найцікавіше: як поведуться два об'єкти, пов'язані тросом? Спочатку Конрад намагався ввести зв'язку у гравітаційну стабілізацію – щоб ракета висіла внизу, корабель угорі та трос був натягнутий.
Проте відійти на 30 м, не порушивши сильних вагань, не вдалося. Об 11:55 перейшли до другої частини експерименту – «штучна вага». Конрад ввів зв'язку у обертання; Трос спочатку натягнувся по кривій лінії, але через 20 хв випростався і обертання стало цілком правильним. Конрад довів його швидкість до 38 ° / хв, а після вечері до 55 ° / хв, створивши тяжкість на рівні 0,00078g. «На дотик» це не відчувалося, але речі потихеньку осіли на дно капсули. О 14:42 після трьох годин обертання штир був відстрілений, і «Джеміні» пішов від ракети.