Проблемы с вестибулярным аппаратом - не единственное последствие длительного пребывания в условиях микрогравитации. Астронавты, которые проводят на МКС больше месяца, часто страдают от нарушения сна, замедления работы сердечно-сосудистой системы и метеоризма.
Недавно НАСА завершило эксперимент, в ходе которого ученые геном братьев-близнецов: один из них провел на МКС почти год, другой совершал лишь кратковременные полеты и большую часть времени находился на Земле. Долговременное пребывание в космосе привело к тому, что 7% ДНК первого астронавта изменились навсегда - речь идет о генах, связанных с иммунной системой, формированием костной ткани, кислородным голоданием и избыточным количеством углекислого газа в организме.
НАСА сравнила астронавтов-близнецов, чтобы увидеть, как тело человека меняется в космосе
В условиях микрогравитации человек будет вынужден бездействовать: речь идет не о пребывании астронавтов на МКС, а о полетах в глубокий космос. Чтобы выяснить, как такой режим повлияет на здоровье астронавтов, Европейское космическое агентство (ESA) на 21 день 14 добровольцев в наклоненную в сторону головы кровать. Эксперимент, который позволит на практике проверить новейшие методы борьбы с невесомостью - такие как улучшенные режимы физических упражнений и питания - намерены совместно провести НАСА и Роскосмос.
Но в случае, если люди решат отправить корабли к Марсу или Венере, понадобятся более экстремальные решения - искусственная гравитация.
Как гравитация может существовать в космосе
Прежде всего стоит понять, что гравитация существует везде - в некоторых местах она слабее, в других сильнее. И космическое пространство не является исключением.
МКС и спутники находятся под постоянным влиянием гравитации: если объект находится на орбите, он, говоря упрощенно, падает вокруг Земли. Подобный эффект возникает, если бросить мяч вперед - прежде чем упасть на землю, он немного пролетит в направлении броска. Если бросить мяч сильнее, он пролетит дальше. Если вы супермен, а мяч - ракетный двигатель, он не упадет на землю, а облетит вокруг нее и продолжит вращаться, постепенно выходя на орбиту.
Микрогравитация предполагает, что люди внутри корабля не находятся в воздухе - они падают с корабля, а тот, в свою очередь, падает вокруг Земли.
Благодаря тому, что гравитация является силой притяжения между двумя массами, мы остаемся на поверхности Земли, когда идем по ней, а не уплываем в небо. В этом случае вся масса Земли притягивает массу наших тел к своему центру.
Когда корабли выходят на орбиту, они свободно плавают в космическом пространстве. Они по-прежнему подвержены гравитационному притяжению Земли, но корабль и находящиеся в нем предметы или пассажиры подвержены гравитации одинаково. Существующие аппараты недостаточно массивны, чтобы создать заметное притяжение, поэтому люди и предметы в нем не стоят на полу, а «плавают» в воздухе.
Как создать искусственную гравитацию
Искусственной гравитации как таковой не существует, чтобы ее создать, человеку необходимо узнать всё об естественной гравитации. В научной фантастике существует концепция имитации гравитации: она позволяет экипажу космических кораблей ходить по палубе, а предметам стоять на ней.
В теории существует два способа создать имитацию гравитации, и ни один из них пока не был использован в реальной жизни. Первый - это использование центростремительной силы для моделирования силы тяжести. Корабль или станция при этом должны представлять собой колесоподобную конструкцию, состоящую из нескольких постоянно вращающихся сегментов.
Согласно этой концепции, центростремительное ускорение аппарата, толкающее модули к центру, создаст подобие гравитации или условия, аналогичные земным. Эта концепция была продемонстрирована в «Космической одиссее 2001 года» Стенли Кубрика и в фильме «Интерстеллар» Кристофера Нолана.
Концепция аппарата, создающего центростремительное ускорение для имитации гравитации
Автором этого проекта считается немецкий ученый-ракетчик и инженер Вернер фон Браун, который руководил разработкой ракеты «Сатурн-5», доставившей на Луну экипаж «Аполлон-11» и еще несколько пилотируемых аппаратов.
Будучи директором Центра космических полетов имени Маршалла НАСА, фон Браун популяризировал идею российского ученого Константина Циолковского о создании тороидальной космической станции на основе конструкции со ступицами, напоминающей велосипедное колесо. Если колесо вращается в пространстве, то инерция и центробежная сила могут создать своего рода искусственную гравитацию, которая тянет предметы к внешней окружности колеса. Это позволит людям и роботам ходить по полу, как на Земле, а не плавать в воздухе, как на МКС.
Однако у этого метода есть существенные недостатки: чем меньше космический корабль, тем быстрее он должен вращаться - это приведет к возникновению так называемой силы Корнолиса, при которой на точки, расположенные дальше от центра, сила тяжести будет влиять сильнее, чем на более близкие к нему. Другими словами, сила тяжести будет действовать на голову астронавтов сильнее, чем на ноги, что вряд ли им понравится.
Чтобы избежать этого эффекта, размер корабля должен в несколько раз превышать размер футбольного поля - вывод такого аппарата на орбиту будет стоить крайне дорого, учитывая, что стоимость одного килограмма груза при коммерческих запусках варьируется от $1,5 тыс. до $3 тыс.
Другой метод создания имитации гравитации более практичен, но также крайне дорог - речь идет о методе ускорения. Если корабль на определенном отрезке пути сначала будет разгоняться, а затем развернется и начнет тормозить, то возникнет эффект искусственной гравитации.
Для реализации этого метода потребуются колоссальные запасы топлива - дело в том, что двигатели должны работать почти непрерывно за исключением короткого перерыва в середине пути - во время разворота корабля.
Реальные примеры
Несмотря на высокую стоимость запуска аппаратов с имитацией гравитации, компании по всему миру пытаются построить такие корабли и станции.
Реализовать концепцию Фон Брауна пытается компания Gateway foundation - исследовательский фонд, который планирует построить вращающуюся станцию на орбите Земли. Предполагается, что по окружности колеса будут располагаться капсулы, которые смогут покупать государственные и частные аэрокосмические компании для проведения исследований. Некоторые капсулы будут проданы в качестве вилл самым богатым жителям Земли, а другие будут использоваться как отели для космических туристов.представило концепцию вращающегося космического корабля с надувными модулями Nautilus-X, который должен был снизить влияние микрогравитации на ученых, находящихся на его борту.
Предполагалось, что проект будет стоить всего $3,7 млрд - очень мало для подобных аппаратов, - а на его строительство потребуется 64 месяца. Однако Nautilus-X так и не вышел за рамки первоначальных чертежей и предложений.
Вывод
Пока самый вероятный способ получить имитацию гравитации, которая защитит корабль от последствий ускорения и даст постоянное притяжение без необходимости постоянно использовать двигатели - это обнаружить частицу с отрицательной массой. Все частицы и античастицы, которые ученые когда-либо обнаружили, имеют положительную массу. Известно, что отричательная масса и гравитационная масса равны друг другу, однако пока исследователям не удавалось продемонстрировать это знание на практике.
Исследователи из эксперимента ALPHA в ЦЕРНе уже создали антиводород - стабильную форму нейтрального антивещества - и работает над его изоляцией от всех других частиц на очень низких скоростях. Если ученым удастся это сделать, вероятно, в ближайшее время искусственная гравитация станет реальнее, чем сейчас.
— Правда ли, что в космосе нет притяжения?
— НЕТ, не правда: закон Всемирного тяготения действует везде.
Почему же тогда космонавты «летают» внутри своего корабля, пристегиваются к кровати на время сна и ловят «летающие чипсы» по всей каюте?
Они испытывают невесомость потому, что движутся по окружности (вокруг Земли) с огромной скоростью (7,9 километров в секунду); примерно это можно продемонстрировать, налив в маленькое ведерко воды и сильно раскрутив. Вода не будет выливаться, её будет придавливать к донышку «центробежной силой», а точнее — силой инерции: поскольку инерция действует прямолинейно, а «закругление» траектории движения постоянно изменяет направление движения.
Именно инерция движения пр круговой орбите вокруг Земли — и компенсирует силу тяжести. Если бы космический корабль не летел с этой скоростью — а был неподвижным — он тут же рухнул бы на Землю — не важно, что он находится на расстоянии несколько сот километров от Земли: её сила тяготения огромна и распространяется на очень большое (теоретически — бесконечное) расстояние. Если бы из земли торчала огромная башня, высотой 500 километров (примерно на такой высоте постоянно движется МКС), и мы бы стояли на вершине этой башни — то не испытывали бы никакой невесомости, а обычное притяжение Земли (разве что чуть-чуть меньше, чем на поверхности).
Стало быть Космос, в этом плане, ничем особым не отличается; но только в космосе, где нет атмосферы — можно двигаться со столь огромной скоростью, чтобы можно было компенсировать земное притяжение. А возможно ли каким-то способом «получить» невесомость на Земле ? Это, довольно приятное ощущение, когда ничто не заставляет мышцы напрягаться. Когда можно парить, не касаясь предметов, один раз оттолкнуться ногами — и пролететь огромное расстояние — причем быстро, быстрее, чем бегущий человек! Наверное здорово было бы посетить какой-нибудь специальный салон, где предоставляют услуги «невесомости»!
Но на Земле, с этим проблема. Вода отпадает: хоть человек в воде и может «не падать на дно», и в принципе может не всплывать — а как будто «зависать» на месте — это, все же никакая не невесомость. Если под водой долго находиться вниз головой — то кровь прильет к мозгу так же, как и на суше. Мышцы будут так же напряжены, как и в другом месте Земли: на них действует такая же самая сила тяжести, и органы тела, в том числе внутренние — будут имеют обычный вес. Невесомость — это нечто совсем другое!
Пожалуй, единственно возможныйспособ создать полную потерю веса — это находиться на борту быстро снижающегося самолета. И то, продолжительность такого эффекта не больше пары минут. Можно конечно просто подпрыгнуть — но тогда в невесомости тело будет меньше секунды. Во время затяжного прыжка с парашютом, невесомость хоть и будет длиться дольше — но не будет полной, из-за сильно возросшего трения об воздух, который до некоторой степени станет «твердым», как опора и тело чувствует некоторый вес.
А существует ли, хотя бы теоретически способ получить невесомость без
необходимости движения или падения, в неподвижной лаборатории, при
чем неограниченно долго?
Да, но чисто теоретически: построить такое заведение в центре Земли ! Да, в самом её центре (в центре масс), в недрах, в ядре: вся масса земного шара будет находиться снаружи и оказывать гравитационное воздействие на посетителя такого «клуба» со всех сторон одновременно и с одинаковой силой. Результирующее направление силы тяжести будет равно НУЛЮ — человек (или любой предмет) зависнет и не будет никуда падать. Фактически, такое конечно не возможно (в ближайшие пару-тройку миллиардов лет) — из за огромной темпе ратуры и колоссального давления в недрах Земли, но на каком-нибудь другом небесном теле, в принципе вероятно.
Ну а если все-же на Земле, и чуть более реальный способ, чем в земном ядре?
Пожалуй можно, но он мало понравится другим земным обитателям: разогнать скорость вращение планеты примерно в 17 раз! Сутки на Земле будут длиться около полутора часов (40 минут день и примерно столько же ночь). Зато — в любом месте на экваторе будет настоящая невесомость! Поверхность Земли, в экваториальной части — будет двигаться с той же скоростью, с которой вращаются спутники, то есть с первой космической; сила инерции на этой широте, полностью компенсирует земное притяжение и можно будет летать! Но, летать будут не только люди, и в этом есть проблема…
Все предметы: ключи, зажигалки, головные уборы, стулья, чемоданы, велосипеды, автомобили — все будет находиться не на земле — а там, где им «заблагорассудится». Мелкие камни, средние камни, огромные булыжники будут плавать в воздухе, сталкиваться, разлетаться, подлетать к земле, ударяться, потом отпрыгивать, подниматься очень высоко, возвращаться — в общем это такой переполох… Вся земля, в общем то — не монолитная скала, а наложенные один на другой камни, песчинки, пылинки и все такое. Все это больше не будет придавлено к земле и станет перемещаться беспорядочно. От пыли ничего не будет видно. Здания, к
оторые стоят на фундаменте, на 90 процентов держатся на притяжении Земли, которое перестанет иметь место. Целые горы, которые подпирает снизу земная мантия — станут отрываться и улетать . А вода? Ну конечно же, вода тоже свернется в мелкие капли или в крупные шары и будет летать, прописанная пылью. Причем, воды будет очень много — все океаны моментально прихлынут туда, где меньше сила веса. Вместе с океанами прилетит всё, со всей планеты, что сможет оторватьс я: все окажется на экваторе или в воздухе около него. Всю планету «раздует» на экваторе — и она из шара превратиться в сильно сплюснутый эллипсоид. Огненно-жидкая мантия из недр тоже поднимется, вслед за всем остальным. А воздух? Воздух огромным фонтаном будет выбрасываться в экваториальной плоскости далеко в космос, часть потом будет возвращаться на полюса — затем вновь притекать к экватору и вырываться наружу. Ураган будет сплошной, непрерывный и зверски-сильный. В купе со всеми легкими — средними и тяжелыми предметами, летающими в воздухе, наверное это будет сплошной ад…
Да, при таком сценарии лучше уж копать в сторону ядра… Может все-таки есть «нормальный» способ «спродуцировать» невесомость? Чтобы не трогать целую планету, а выкопать бункер под какой-нибудь горой: гора сверху, близко: притягивает вверх. А центр Земли далеко — притягивает вниз. Можно ведь достичь «баланса»?
Тогда придется «закопаться» до трети радиуса Земли, а гора, должна быть размером с Луну… Хотя… Нужно, чтобы гора была из такого материала, чтобы он был в сто тысяч раз плотнее золота ! Обычная гора, весом в миллиард тонн — имела размер несколько метров. Вот такую «болванку» положить на крышу бункера — и будет первый в мире пансионат, в котором предлагают развлечься в невесомости! Нужно только хорошо укрепить конструкцию потолка потому, что столь тяжелое тело таких маленьких размеров — продавит все на свете, и постепенно погрузится в самые недра земли… И еще… Нужно как-то отломать миллиард тонн такого вещества от ближайшего потухшего Белого Карлика и привезти его…
И все же, если серьёзней: неужели не существует ни какого реального способа? использовать анти-гравитацию, или заэкранировать немного притяжение снизу, или включить искусственную гравитацию сверху? Нужно-то поднять всего-то тело человека, в несколько десятков килограмм, ведь не нужна для этого огромная энергия? Лифт же поднимает, да и ноги каждый день поднимают ого-го на какую высоту… Увеличить многократно собственный вес можно на центрифуге, или даже на простой карусели. Может можно так же легко как-то уменьшить? Это же, в принципе не будет противоречить закону сохранения энергии? Анти-материю уже давно получили, может её можно как-то использовать?
Анти-материя не дает анти-гравитации: по большому счету это та же материя, только имеющая противоположный электрический заряд. На качелях-каруселях можно получить невесомость — но кратковременно; в целом тот же эффект, что и от обычного «прыжка»: пол-секунды потери веса, а за тем столько же перегрузки. Способ создания долговременной невесомости на Земле пока не известен. Хотя, скорей всего возможность должна быть.
Может кто-то уже придумал? Напишите комментарий или спросите у друзей в соц. сетях:
Для находящихся в космосе объектов вращение - дело привычное. Когда две массы двигаются относительно друг друга, но не навстречу или друг от друга, их гравитационная сила создаёт крутящий момент . В итоге в Солнечной системе все планеты вращаются вокруг Солнца.
Но это то, на что человек не влиял. Зачем же вращаются космические аппараты? Чтобы стабилизировать положение, постоянно направлять приборы в нужную сторону и в будущем - для создания искусственной гравитации. Давайте разберём эти вопросы подробнее.
Стабилизация вращением
Когда мы смотрим на автомобиль, мы знаем, в какую сторону он едет. Управление им происходит благодаря взаимодействию с внешней средой - сцеплению колёс с дорогой. Куда поворачивают колёса - туда и весь автомобиль. Но если мы лишим его этого сцепления, если мы отправим машину на лысой резине кататься по льду, то она закружится в вальсе, что будет крайне опасно для водителя. Такой тип движения возникает редко на Земле, но в космосе это норма.Б. В. Раушенбах, академик и лауреат Ленинской премии, писал в “Управлении движением космических аппаратов” о трёх основных типах задач управления движением космического аппарата:
- Получение нужной траектории (управление движением центра масс),
- Управление ориентацией, то есть получение нужного положения корпуса космического аппарата относительно внешних ориентиров (управление вращательным движением вокруг центра масс);
- Случай, когда эти два типа управления реализуются одновременно (например, при сближении космических аппаратов).
Приспособленный к жизни в условиях земного притяжения организм умудряется выжить и без него. И не только выжить, но и активно работать. Но это маленькое чудо обходится не без последствий. Опыт, накопленный за десятилетия полётов человека в космос, показал: человек испытывает в космосе много нагрузок, которые оставляют след на теле и психике.
На Земле наш организм борется с гравитацией, которая тянет кровь вниз. В космосе этоа борьба продолжается, но сила гравитации отсутствует. Поэтому космонавты одутловаты. Внутричерепное давление растёт, растёт давление на глаза. Это деформирует зрительный нерв и влияет на форму глазных яблок. Снижается содержание плазмы в крови, и из-за уменьшения количества крови, которую нужно качать, атрофируются мышцы сердца. Дефект костной массы значителен, кости становятся хрупкими.
Чтобы побороть эти эффекты, люди на орбите вынуждены ежедневно заниматься физическими тренировками. Поэтому создание искусственной силы тяжести считают желательным для долговременных космических путешествий. Такая технология должна создать физиологически естественные условия для обитания людей на борту аппарата. Еще Константин Циолковский считал, что искусственная гравитация поможет решить многие медицинские проблемы полёта человека в космос.
Сама идея основана на принципе эквивалентности силы гравитации и силы инерции, который гласит: «Силы гравитационного взаимодействия пропорциональны гравитационной массе тела, силы инерции же пропорциональны инертной массе тела. Если инертная и гравитационная массы равны, то невозможно отличить, какая сила действует на данное достаточно малое тело - гравитационная или сила инерции».
У такой технологии есть недостатки. В случае с аппаратом небольшого радиуса разная сила будет воздействовать на ноги и на голову - чем дальше от центра вращения, тем сильнее искусственная гравитация. Вторая проблема - сила Кориолиса , из-за воздействия которой человека будет укачивать при движении относительно направления вращения. Чтобы этого избежать, аппарат должен быть огромным. И третий важный вопрос связан со сложностью разработки и сборки такого аппарата. При создании такого механизма важно продумать, как сделать возможным постоянный доступ экипажа к отсекам с искусственной гравитацией и как заставить этот тор двигаться плавно.
В реальной жизни такую технологию для строительства космических кораблей ещё не использовали. Для МКС предлагали надувной модуль с искусственной гравитацией для демонстрации прототипа корабля Nautilus-X. Но модуль дорог и создавал бы значительные вибрации. Делать всю МКС с искусственной гравитацией с текущими ракетами трудноосуществимо - пришлось бы собирать всё на орбите по частям, что в разы усложнило бы размах операций. А ещё эта искусственная гравитация перечеркнула бы саму суть МКС как летающей микрогравитационной лаборатории.
Концепт надувного модуля с микрогравитацией для МКС.
Зато искусственная гравитация живёт в воображении фантастов. Корабль «Гермес» из фильма «Марсианин» имеет в центре вращающийся тор, который создаёт искусственную гравитацию для улучшения состояния экипажа и снижения воздействия невесомости на организм.
Национальное аэрокосмическое агентство США разработало шкалу уровней готовности технологии TRL из девяти уровней: с первого по шестой - развитие в рамках научно-исследовательских работ, с седьмого и выше - опытно-конструкторские работы и демонстрация работоспособности технологий. Технология из фильма «Марсианин» соответствует пока лишь третьему или четвёртому уровню.
В научно-фантастической литературе и фильмах есть много применений этой идеи. В серии романов Артура Кларка «Космическая Одиссея» описывался «Discovery One» в форме гантели, смысл которой - отделить ядерный реактор с двигателем от жилой зоны. Экватор сферы содержит в себе «карусель» диаметром 11 метров, вращающуюся со скоростью около пяти оборотов в минуту. Эта центрифуга создаёт уровень гравитации, равный лунному, что должно предотвращать физическую атрофию в условиях микрогравитации.
«Discovery One» из «Космической Одиссеи»
В аниме-сериале Planetes космическая станция ISPV-7 имеет огромные помещения с привычной земной гравитацией. Жилая зона и зона для растениеводства размещены в двух торах, вращающихся в разных направлениях.
Даже твёрдая фантастика игнорирует огромную стоимость такого решения. Энтузиасты взяли для примера корабль «Элизиум» из одноимённого фильма. Диаметр колеса – 16 километров. Масса - около миллиона тонн. Отправка грузов на орбиту стоит 2700 долларов за килограмм, SpaceX Falcon позволит сократить эту цифру до 1650 долларов за килограмм. Но придётся осуществить 18382 запуска, чтобы доставить такое количество материалов. Это 1 триллион 650 миллиардов американских долларов - почти сто годовых бюджетов НАСА.
До реальных поселений в космосе, где люди могут наслаждаться привычными 9,8 м/с² ускорения свободного падения, ещё далеко. Возможно, повторное использование частей ракет и космические лифты позволят приблизить такую эпоху.
Б.В. Раушенбах, соратник Королева, рассказал о том, как у того возникла идея создания искусственной тяжести на космическом корабле: в конце зимы 1963 года главного конструктора, расчищавшего дорожку от снега у своего домика на Останкинской улице, можно сказать, осенило. Не дождавшись понедельника, он позвонил по телефону Раушенбаху, который жил неподалеку, и вскоре они вместе стали «расчищать дорогу» в космос для длительных полетов.
Идея, как чаще всего бывает, оказалась простой; она и должна быть простой, иначе на практике может ничего не получиться.
Для полноты картины. Март 1966, американцы на «Джемини-11»:
В 11:29 «Джемини-11» был отстыкован от «Аджены». Началось самое интересное: как поведут себя два объекта, связанные тросом? Сначала Конрад пытался ввести связку в гравитационную стабилизацию – чтобы ракета висела внизу, корабль вверху и трос был натянут.
Однако отойти на 30 м, не возбудив сильных колебаний, не удалось. В 11:55 перешли ко второй части эксперимента – «искусственная тяжесть». Конрад ввел связку во вращение; трос сначала натянулся по кривой линии, но через 20 мин выпрямился и вращение стало вполне правильным. Конрад довел его скорость до 38 °/мин, а после ужина до 55 °/мин, создав тяжесть на уровне 0,00078g. «На ощупь» это не чувствовалось, но вещи потихоньку осели на дно капсулы. В 14:42 после трех часов вращения штырь был отстрелен, и «Джемини» ушел от ракеты.