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.
Я не знаю, откуда я пришел, куда иду и даже кто я такой.
Э. Шредингер
В ряде работ отмечался интересный эффект, который заключался в изменении веса предметов при наличии вращающихся масс. Изменение веса происходило вдоль оси вращения массы. В работах Н. Козырева наблюдалось изменение веса вращающегося гироскопа. Причём, в зависимости от направления вращения ротора гироскопа, происходило либо уменьшение, либо увеличение веса самого гироскопа. В работе Е. Подклетнова наблюдалось уменьшение веса предмета расположенного над сверхпроводящим вращающимся диском, который находился в магнитном поле. В работе В. Рощина и С. Година уменьшался вес массивного вращающегося диска из магнитного материала, который сам являлся источником магнитного поля.
В этих экспериментах можно выделить один общий фактор – наличие вращающейся массы.
Вращение присуще всем объектам нашей Вселенной, от микромира до макромира. Элементарные частицы обладают собственным механическим моментом – спином, все планеты, звёзды, галактики также вращаются вокруг своей оси. Другими словами – вращение любого материального объекта вокруг своей оси является его неотъемлемым свойством. Возникает закономерный вопрос: какая причина вызывает такое вращение?
Если верна гипотеза о хронополе и его воздействии на пространство , то можно допустить, что расширение пространства происходит за счёт его вращения под воздействием хронополя. Т. е. хронополе в нашем трёхмерном мире расширяет пространство, из области подпространства в область надпространства, раскручивая его по строго определённой зависимости.
Как уже отмечалось , при наличии гравитационной массы, энергия хронополя уменьшается, пространство расширяется медленнее, что и приводит к появлению гравитации. По мере удаления от гравитационной массы энергия хронополя возрастает, скорость расширения пространства увеличивается, а гравитационное воздействие уменьшается. Если в какой-либо области вблизи гравитационной массы каким-либо образом увеличить или уменьшить скорость расширения пространства, то это приведёт к изменению веса предметов, расположенных в этой области.
Вполне вероятно, что эксперименты с вращающимися массами и вызвали такое изменение скорости расширения пространства. Пространство каким-то образом взаимодействует с вращающейся массой. При достаточно высокой скорости вращения массивного предмета можно увеличить или уменьшить скорость расширения пространства и, соответственно, изменить вес предметов расположенных вдоль оси вращения.
Автором была предпринята попытка, проверить экспериментально высказанное предположение. В качестве вращающейся массы был взят авиационный гироскоп. Схема эксперимента соответствовала эксперименту Е. Подклетнова . Грузы из материалов различной плотности уравновешивались на аналитических весах с точностью измерения до 0,05 мг. Вес грузов составлял 10 гр. Под чашкой весов с грузом размещался гироскоп, который вращался с достаточно большой скоростью. Частота тока питания гироскопа составляла 400 Гц. Использовались гироскопы различной массы с различными моментами инерции. Максимальный вес ротора гироскопа достигал 1200 г. Вращение гироскопов проводилось как по часовой, так и против часовой стрелки.
Длительные эксперименты со второй половины марта по август 2002 года не дали положительных результатов. Иногда наблюдались незначительные отклонения веса в пределах одного деления. Их можно было отнести к погрешностям, возникающих за счёт вибраций или других, каких-либо внешних воздействий. Однако, характер этих отклонений был однозначным. При вращении гироскопа против часовой стрелки наблюдалось уменьшение веса, а по часовой – увеличение.
Во время эксперимента изменялось положение гироскопа, направление его оси, под различными углами к горизонту. Но и это не дало никаких результатов.
В своей работе Н. Козырев отмечал, что изменение веса гироскопа можно было обнаружить поздней осенью и зимой и даже в этом случае показания изменялись в течении дня. Очевидно, это связано с положением Земли относительно Солнца. Свои эксперименты Н. Козырев проводил в Пулковской обсерватории, которая расположена около 60° северной широты. В зимнее время года положение Земли относительно Солнца таково, что направление действия силы тяжести на этой широте почти перпендикулярно плоскости эклиптики (7°) в дневное время. Т.е. ось вращения гироскопа была практически параллельна оси плоскости эклиптики. В летнее время, для получения результата, эксперимент надо было попробовать проводить ночью. Возможно та же причина не позволила повторить эксперимент Е. Подклетнова в других лабораториях.
На широте г. Житомира (около 50° северной широты), где проводились эксперименты автором, угол между направлением силы тяжести и перпендикуляром к плоскости эклиптики составляет в летнее время почти 63°. Возможно по этой причине и наблюдались только незначительные отклонения. Но возможно и то, что воздействие оказывалось и на уравновешивающие грузы. В этом случае, разница в весе проявлялась за счёт различного расстояния от взвешиваемого и уравновешивающего грузов до гироскопа.
Можно представить следующий механизм изменения веса. Вращение гравитационных масс и других объектов и систем во Вселенной происходит под воздействием хронополя. Но вращение происходит вокруг какой-то одной оси, положение которой в пространстве зависит от каких-то факторов, пока нам неизвестных. Соответственно, в присутствии таких вращающихся объектов, расширение пространства под воздействием хронополя приобретает направленный характер. То есть в направлении оси вращения системы расширение пространства будет происходить быстрее, чем в каком-либо другом направлении.
Пространство можно представить в виде квантового газа, который заполняет всё даже внутри атомного ядра. Между пространством и материальными объектами, внутри которых оно расположено, существует взаимодействие, которое может усиливаться под воздействием внешних факторов, например при наличии магнитного поля. Если вращающаяся масса располагается в плоскости вращения гравитационной системы и вращается в ту же сторону с достаточно высокой скоростью, то вдоль оси вращения пространство будет расширяться быстрее за счёт взаимодействия пространства и вращающейся массы. Когда направления действия силы тяжести и расширения пространства совпадает, то вес предметов будет уменьшаться. При противоположном вращении, расширение пространства будет замедляться, что приведёт к увеличению веса.
В тех случаях, когда направления действия силы тяжести и расширения пространства не совпадают, результирующая сила изменяется незначительно и её трудно зарегистрировать.
Вращающаяся масса будет изменять напряжённость гравитационного поля в конкретном месте. В формуле для напряжённости гравитационного поля g = (G · M ) / R 2 гравитационная постоянная G и масса Земли М не могут меняться. Следовательно, изменяется величина R – расстояние от центра Земли до взвешиваемого предмета. За счёт дополнительного расширения пространства эта величина возрастает на ΔR . Т. е. груз как бы поднимается над поверхностью Земли на эту величину, что и приводит к изменению напряжённости гравитационного поля g" = (G · M ) / (R + ΔR ) 2 .
В случае замедлении расширения пространства, величина ΔR будет вычитаться из R , что приведёт к увеличению веса.
Эксперименты с изменением веса в присутствии вращающейся массы не позволяют достичь высокой точности измерения. Возможно, скорости вращения гироскопа не достаточно для заметного изменения веса, так как дополнительное расширение пространства весьма не значительно. Если подобные эксперименты провести с квантовыми часами, то можно достичь более высокой точности измерения, сравнивая показания двух часов. В области, где пространство расширяется быстрее, возрастает напряжённость хронополя, и часы будут иметь ускоренный ход и наоборот.
Источники информации:
- Kozyrev N.A. On the possibility of experimental investigation of the properties of time. // Time in Science and Philosophy. Praga, 1971. P. 111...132.
- Рощин В.В, Годин С.М. Экспериментальное исследование нелинейных эффектов в динамической магнитной системе . , 2001.
- Юмашев В.Е.
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.
