Problemy sztucznej grawitacji w kosmosie
2018-09-23. Aleksander Fiuk
Zapraszamy do lektury opracowania na temat sztucznej grawitacji: problemów związanych z optymalizacją kształtu urządzeń ją imitujących, różnicy między zachowaniem się obiektów we właściwym polu grawitacyjnym a tym sztucznym oraz efektów, jakie wywołuje ona w organizmie.
Ludzie w swoim naturalnym środowisku przyzwyczajeni są do odczuwania, w przybliżeniu, stałej siły ciążenia działającej „w dół”. Mówiąc bardziej naukowo, na powierzchni Ziemi człowiek znajduje się w polu grawitacyjnym, które w tej skali można uznać za jednorodne, a wektor siły przyciągania ziemskiego zwrócony jest w stronę środka masy naszej planety. Jednak już w długich lotach kosmicznych brak ciążenia może być uciążliwy dla załogi. Nie tylko wywołuje on dyskomfort, problemy ze snem i ogólne poczucie dezorientacji, ale także może powodować tragiczne w skutkach zmiany w organizmie.
Od wielu lat kwestie związane ze sztuczną grawitacją i skutkami jej działania na człowieka są dogłębnie badane. Już w 1883 roku, dekady przed początkami programów kosmicznych, Konstantyn Ciołkowski rozważał różne sposoby na zapewnienie możliwości stworzenia habitatów w przestrzeni kosmicznej, na których komfort życia mógłby być zbliżony do tego na Ziemi. W swojej książce „Свободное пространство” (ros. Wolna przestrzeń) zamieścił on rysunek prostej, obrotowej konstrukcji mającej imitować ciążenie za pomocą siły odśrodkowej.
W roku 1928 Hermann Noordung, słoweński uczony, przedstawił szczegółowy plan stacji kosmicznej z modułem symulującym grawitację, oparty o wizję Hermanna Obertha. Noordung zmarł w 1929 roku, a zainspirowany jego pracą Wernher von Braun zaprojektował stację w postaci dysku o średnicy 76 m, mającą okrążać Ziemię na wysokości 1730 km nad jej powierzchnią. Habitat miał rotować z szybkością 3 RPM (ang. obrotów na minutę), co dałoby przyspieszenie odśrodkowe o wartości 0,3 g (tj. około 3 m/s^2). Jak się później okazało, planowana orbita znajdowałaby się w nieznanym wówczas pasie van Allena, który nie nadaje się do zamieszkania ze względu na bardzo wysoki poziom promieniowania korpuskularnego.
W latach pięćdziesiątych XX wieku, już po śmierci Ciołkowskiego, zespół prowadzony przez Siergieja Korolewa rozpoczął prace nad pojazdem do podróży międzyplanetarnych. Heavy Interplanetary Manned Vehicle (ang. Ciężki międzyplanetarny pojazd załogowy) miał pomieścić trzy osoby i posiadać moduł obrotowy o średnicy 6 metrów. Skonstruowanie tego statku kosmicznego planowano wówczas na 1962-1965, lecz w latach sześćdziesiątych Związek Radziecki zaczął kłaść szczególny nacisk na swoistą pogoń za amerykańskim programem Apollo. Niemniej jednak Korolow nie spoczął w swych wysiłkach, by urzeczywistnić wizje na temat sztucznej grawitacji i przetestować ją. Nadarzyła się ku temu okazja podczas planowania pierwszych misji Voskhod – po wejściu pojazdu na orbitę planowano rozłączyć dwa moduły, pozostawić je połączoną tylko za pomocą liny i wprawić w ruch obrotowy. Niestety, po nieoczekiwanej śmierci Korolowa w roku 1966, porzucono projekt.
Konstrukcje mające wytwarzać sztuczną grawitację są również popularnym motywem w popkulturze. Słynnym przykładem jest Space Station V z „2001: Odysei kosmicznej”, stacja kosmiczna, której projekt został oparty na pracach von Brauna i Noordunga. Ciekawą wizję przedstawiono także w „Interstellar”; Stacja Coopera została stworzona na bazie cylindra O’Neilla opisanego w „The High Frontier: Human Colonies in Space”, książce tego fizyka z 1976 roku. Konstrukcja miałaby się składać z dwóch cylindrów o promieniu 4 km i długości 32 km, obracających się w przeciwnych kierunkach, by ułatwić utrzymanie pożądanej orientacji wobec Słońca.
W celu wytworzenia sztucznej grawitacji w przestrzeni kosmicznej, dana stacja lub statek musi posiadać rotujący moduł. Przyspieszenie odśrodkowe imituje w takim wypadku to grawitacyjne na Ziemi, jeśli szybkość obrotowa i promień okręgu będą odpowiednio dobrane. Ważnym aspektem podczas projektowania owego modułu jest wielkość zwana gradientem przyspieszenia grawitacyjnego; pojęcie to oznacza o ile zmienia się wartość przyspieszenia na jednostkę odległości różnicy od osi obrotu. Oczywiście, by zapewnić jak największe podobieństwo do grawitacji odczuwanej przez ludzi na Ziemi, pożądane są jak najmniejsze wartości gradientu, lecz by to osiągnąć należałoby zwiększyć promień krzywizny modułu obrotowego, a przez to również jego rozmiary. Zatem projektując urządzenie imitujące pole grawitacyjne konstruktorzy są zmuszeni pójść na kompromis pomiędzy możliwościami technologicznymi (np. jak dużą strukturę mogą wynieść w kosmos) i budżetowymi przedsięwzięcia a bardziej pożądanymi parametrami sztucznego przyciągania.
Warte rozważenia jest to, dlaczego nazywamy to zjawisko sztuczną grawitacją. Po pierwsze, ludzkość nie jest w stanie (jeszcze?) wytwarzać, ani kontrolować grawitacji, a więc siła, którą odczuje człowiek poddany działaniu tej sztucznej, nie będzie siłą ciążenia. Po drugie, zachowanie obiektów w „polu” sztucznej grawitacji odbiega czasem od tego, do czego jesteśmy przyzwyczajeni na Ziemi. Głównym powodem tych różnic jest przyspieszenie Coriolisa, które działa na ciało zmieniające odległość od osi obrotu układu, w którym się znajduje. Rozważa się przede wszystkim dwie sytuacje: wolny spadek oraz podskok. W przypadku wolnego spadku obiektu, np. gdy astronauta upuszcza piłkę, którą trzyma na wysokości głowy, obiekt upadnie na podłogę „opóźniony”, tzn. jeśli moduł obraca się przeciwnie do ruchu wskazówek zegara, a astronauta znajduje się w okolicach godziny 6, piłka upadłaby gdzieś po godzinie 6. Natomiast gdyby ten astronauta podrzucił piłkę z poziomu podłogi wprost w górę, zakładając ten sam kierunek obrotu modułu, uderzyłaby ona o podłoże „wyprzedzając” punkt, z którego została wyrzucona, czyli przed godziną 6. To, gdzie dokładnie obiekt upadnie w obu przypadkach zależy przede wszystkim od wartości przyspieszenia Coriolisa, proporcjonalnego do prędkości obiektu wobec układu i prędkości obrotowej modułu, a także wymiarów samej części obrotowej stacji. Innym szczegółem różniącym sztuczną grawitację od prawdziwej jest to, jak odczuwane jest przechodzenie po linii prostej przez oś obrotu modułu pseudograwitacyjnego – zbliżając się do tej osi ze stałą szybkością, astronauta odczuwa to, jakby szedł pod górę o zmniejszającym się nachyleniu, a kiedy ją minie – jakby z tej góry schodził. Dzieje się tak z tego powodu, że redukując odległość od osi obrotu, na ciało człowieka będzie działać mniejsza siła odśrodkowa, natomiast siła Coriolisa będzie nadal taka sama, stąd uczucie ciążenia w jednym kierunku, nawet w momencie, gdy astronauta będzie znajdował się w osi obrotu.
Kluczową kwestią jest to, jak pseudograwitacja wpływa na organizm ludzki. Gradient przyspieszenia, o którym była mowa wcześniej, odgrywa ważną rolę w sposobie, jak sztuczne ciążenie odczuwa astronauta; im on większy, tym znaczniejsze różnice między siłą odśrodkową działającą na części ciała znajdujące się w różnych odległościach od osi obrotu. Istotnym jest, by stopy odczuwały podobne przyspieszenie, co głowa. Ma to ogromne znaczenie przede wszystkim dla poprawnego działania układu krążeniowo-oddechowego. Badania osób, które powróciły z przynajmniej kilkudniowego pobytu poza Ziemią, wskazują że już po paru dobrach spada hematokryt i zmniejsza się ogólna objętość krwi – nawet do 10%. Kolejnym aspektem wartym uwagi jest wpływ działania modułu pseudograwitacyjnego o małym promieniu na mózgowie. Po pierwsze, przez obecność przyspieszenia Coriolisa powoduje zaburzenia równowagi – móżdżek odczuwa siłę ciążenia, której wektor nie jest skierowany prostopadle do podłogi. Po drugie, częste ruchy głowy, kiedy ciało poddane jest działaniu obrotowej sztucznej grawitacji, mogą powodować upośledzenie funkcji poznawczych.
Pomimo wymienionych negatywnych skutków oddziaływania pseudograwitacji na organizm ludzki, ma ona także zbawienne skutki podczas długich pobytów w przestrzeni kosmicznej. Przy połączeniu sesji w module grawitacyjnym i regularnych treningów, ciało dużo lepiej znosi powrót na Ziemię. Jak wynika z badań, dużo lepsze efekty przynoszą krótkie, przeplatane przerwami na regenerację, sesje w przyspieszeniu 2g lub 3g niż dłuższe ciągłe pobyty w 1g.
Wiele razy mówiło się o utworzeniu stacji lub statku kosmicznego, który miałby zapewnić namiastkę ciążenia. Najciekawsze pomysły, które nie wyszły poza zaawansowany poziom realizacji to np. ISS Centrifuge Demo (zaproponowany przez NASA w 2011 roku moduł do ISS o promieniu 18 metrów będący w stanie wytworzyć przyspieszenie odśrodkowe do 0.51g, miałby służyć jako sypialnia), Mars Gravity Biosatellite (propozycja misji, której celem byłoby badać skutki poddania ssaków przyspieszeniu takiemu, jakie występuje na Marsie – 0.38g; 15 myszy miałoby zostać umieszczonych w module pseudograwitacyjnym na 5 tygodni na niskiej orbicie okołoziemskiej, a następnie powróciłyby one do badań na powierzchni naszego globu; pomysł upadł z powodu braku środków)
O ile wiele faktów na temat nieważkości i pseudograwitacji jest już znanych, o tyle wciąż nie wiadomo wystarczająco dużo, by w pełni możliwości zapobiec negatywnym skutkom ewentualnej długiej podróży międzyplanetarnej. Nadal trwają prace na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej na temat braku ciążenia lub sztucznego jego substytutu, które są zaplanowane do 2024 roku, i jak pisaliśmy w niedawnym artykule o rozważanej komercjalizacji ISS, jest bardzo możliwe, że nie uda się ich ukończyć w terminie.
Źródła:
[1] Hall T. “Inhabiting Artificial Gravity”. AIAA Space Technology Conference. 1999
[2] Clément G. “International roadmap for artificial gravity research”. Nature.com, November 2017
https://kosmonauta.net/2018/09/problemy ... -kosmosie/http://www.astrokrak.pl
