Gravitația artificială

(Operațiuni de fixare pentru Gemini 11 Agena)

Gravitația artificială (uneori numită pseudogravitate, sau gravitația de rotație) este crearea unei forțe inerțiale care imită efectele unei forțe gravitaționale, de obicei prin rotație. Ea reprezintă, prin urmare, apariția unei forțe centrifuge într-un cadru de referință rotativ (transmiterea accelerației centripetale prin forța normală în cadrul de referință non-rotațional), spre deosebire de forța experimentată în accelerația liniară, care prin principiul echivalenței nu poate fi diferențiată de gravitate. Într-un sens mai general, „gravitația artificială” se poate referi, de asemenea, la efectul accelerației liniare, de ex. cu ajutorul unui motor cu rachete.

Gravitația rotațională simulată a fost utilizată în simulări pentru a ajuta astronauții să se antreneze în condiții extreme. Ea a fost propusă ca o soluție în deplasarea spațială cu echipaj uman la efectele negative asupra sănătății cauzate de lipsa de greutate prelungită. Dar nu există aplicații practice actuale în spațiul cosmic a gravitației artificiale pentru oameni, din cauza preocupărilor legate de mărimea și costul unei nave spațiale necesare pentru a produce o accelerație centripetă utilă comparabilă cu intensitatea câmpului gravitațional de pe Pământ (g).

(Proiect Nautilus-X International pentru stație spațială)

Centrifugal

(Stație spațială cu gravitație artificială, concepția NASA din 1969. Acest design este greșit deoarece astronauții ar fi oscilat între gravitație și imponderabilitate.)

Gravitația artificială poate fi creată folosind o forță centripetă. O forță centripetă direcționată către centrul rotației este necesară pentru ca orice obiect să se miște pe o cale circulară. În contextul unei stații spațiale rotative, este forța normală furnizată de corpul navei spațiale care acționează ca forță centripetă. Astfel, forța „gravitațională” simțită de un obiect este forța centrifugă percepută în cadrul rotativ de referință ca fiind îndreptată „în jos” spre corpul corpului. În conformitate cu legea a treia a lui Newton, valoarea lui g (accelerația percepută „în jos”) este egală în magnitudine și opusă în direcție accelerației centripetale.

Mecanism

Din punctul de vedere al oamenilor care se rotesc cu habitatul, gravitația artificială prin rotație se comportă în unele moduri în mod similar cu gravitația normală, dar cu următoarele diferențe:

• Forța centripetă: Spre deosebire de gravitația reală, care atrage spre centrul planetei, forța centripetă împinge spre axa de rotație. Pentru o viteză unghială dată, cantitatea de gravitație artificială depinde linear de rază. Cu o rază mică de rotație, cantitatea de gravitație simțită la capul unei persoane ar fi semnificativ diferită de cantitatea resimțită la picioare. Acest lucru ar putea incomoda mișcarea și schimbarea poziției corpului. În funcție de fizica implicată, rotația mai lentă sau razele de rotație mai mari ar reduce sau elimina această problemă. În mod similar, viteza unghiulară a habitatului ar trebui să fie semnificativ mai mare decât vitezele relative cu care un astronaut își va schimba poziția în interiorul acestuia. În caz contrar, mișcarea în direcția rotației va crește gravitația simțită (în timp ce deplasarea în direcția opusă o va micșora) până la punctul în care ar trebui să provoace probleme.
• Efectul Coriolis dă o forță aparentă care acționează asupra obiectelor care se mișcă în raport cu un cadru de referință rotativ. Această forță aparentă acționează în unghi drept față de mișcarea și axa de rotație și tinde să curbe mișcarea în sens invers față de rotația habitatului. Dacă un astronaut care se află în interiorul unui mediu de gravitație artificială rotativă se deplasează spre axa de rotație sau în afară, va simți o forță care îl împinge spre direcția rotirii sau departe de ea. Aceste forțe acționează asupra urechii interne și pot provoca amețeli, greață și dezorientare. Prelungirea perioadei de rotație (viteza de rotire mai lentă) reduce forța Coriolis și efectele acesteia. Se crede, în general, că la 2 rpm sau mai puțin, nu vor apărea efecte adverse ale forțelor Coriolis, deși oamenii s-au dovedit a se adapta la rate de până la 23 rpm. Nu este încă cunoscut dacă expunerile foarte lungi la niveluri ridicate ale forțelor Coriolis pot crește probabilitatea de a se obișnui. Efectele forțelor Coriolis care provoacă greața pot fi, de asemenea, atenuate prin restrângerea mișcării capului.

Această formă de gravitație artificială are probleme de inginerie suplimentare:

• Energia cinetică și impulsul unghiular: Accelerarea (sau încetinirea) rotirii unor părți sau a întregului habitat necesită energie, în timp ce impulsul unghiular trebuie să fie conservat. Acest lucru ar necesita un sistem de propulsie și un combustibil consumabil, sau ar putea fi realizat fără a se mări masa printr-un motor electric și o contragreutate, cum ar fi o roată de reacție sau, eventual, o altă zonă de locuit care se rotește în direcția opusă.
• Este nevoie de o rezistență suplimentară a structurii pentru a nu permite dezintegrarea părților din cauza rotației. Dar structura necesară pentru a menține o atmosferă respirabilă (10 tone forță pe metru pătrat la 1 atmosferă) este relativ modestă pentru majoritatea cazurilor.
• Dacă părți din structură nu se rotesc în mod intenționat, forțele de frecare și cuplurile similare vor determina convergența vitezei de rotație (și mișcarea altor părți altfel staționare), necesitând utilizarea motoarelor și a energiei pentru compensarea pierderilor datorate fricțiunii .
• O interfață traversabilă între părți ale stației care se rotesc una față de cealaltă necesită etanșări axiale mari în vid.

Zborul în spațiu cu echipaj uman

Provocările ingineriei de a crea o navă spațială rotativă sunt relativ modeste față de orice altă abordare propusă. Proiectele teoretice de nave spațiale care utilizează gravitația artificială au un număr mare de variante cu probleme și avantaje intrinseci. Formula forței centripete implică faptul că raza de rotație crește cu pătratul perioadei orbitale, astfel că o dublare a perioadei orbitale necesită o creștere de 4 ori a razei de rotație. De exemplu, pentru a produce o greutate standard, ɡ₀ = 9.80665 m/s² cu o perioadă orbitală de 15 s, raza de rotație ar trebui să fie de 56 m, în timp ce o perioadă orbitală de 30 s ar necesita o rază de 224 m. Pentru a reduce masa, suportul de-a lungul diametrului nu ar putea constitui decât dintr-un cablu care să unească două secțiuni ale navei, posibil un modul de habitat și o contragreutate aflate în zone opuse ale navei spațiale.

Nu se cunoaște încă dacă expunerea la gravitație mare pentru perioade scurte de timp este la fel de benefică pentru sănătate ca expunerea continuă la gravitația normală. De asemenea, nu se știe cât de eficiente ar fi nivelurile scăzute ale gravitației în combaterea efectelor negative asupra sănătății ale greutății. Gravitația artificială la 0,1 g și o perioadă orbitală de 30 s necesită o rază de numai 22 m. De asemenea, la o rază de 10 m, o perioadă orbitală de puțin peste 6 s ar fi necesară pentru a produce greutatea standard (la șolduri, gravitatea ar fi cu 11% mai mare la picioare), în timp ce 4,5 s ar produce 2g. Dacă expunerea scurtă la gravitație mare poate nega efectele dăunătoare ale greutății, atunci o mică centrifugă ar putea fi utilizată ca zonă de exercițiu.

Centrifuge

Instruirea la G mare este efectuată de către aviatori și astronauți care sunt supuși unui nivel ridicat de accelerare („G”) în centrifuge cu rază mare. Este concepută pentru a preveni pierderea de cunoștință indusă de g (abreviat G-LOC), o situatie in care forțele g îndepărtează sângele din creier în măsura în care a apărut pierderea de cunoștință. Incidentele de pierdere a cunoștinței induse de accelerare au provocat accidente mortale în avioane capabile să susțină valori ridicate pentru perioade considerabile.

În parcurile de distracții, tiribombe, leagăne de mare amplitudine și centrifuge apare forța de rotație. De asemenea, apar în roller coaster, ori de câte ori pe timpul deplasării apar văi, cocoașe sau bucle. Când se trece peste un deal, timpul în care se simte gravitația zero sau negativă se numește ”timp în aer”, care poate fi împărțit în „timp în aer plutitor” (pentru gravitație zero) și „timp în aer ejector” (pentru gravitație negativă).