Как создать искусственную гравитацию?
Асгардия продолжает обсуждение вопросов создания искусственной гравитации (ИГ) при длительном пребывании в космосе. На IX цифровом заседании Парламента Асгардии второго созыва министр науки Флорис Ваутс – руководитель Лаборатории равновесных и аэрокосмических исследований Антверпенского университета выступил с презентацией о разных аспектах ИГ.
Рассмотрим способы создания ИГ в изложении Флориса Ваутса.
1. Индивидуальное вращение
Когда объект движется по кругу, возникает центробежная сила, направленная наружу от центра вращения. Этот физический принцип лежит в основе создания эффекта искусственной гравитации.
Д-р Ваутс напомнил, что ещё в 1998 году, в эпоху шаттлов, в ходе миссии Neurolab в космосе был впервые проведён эксперимент с вращающимся креслом, создающим ИГ. То же кресло впоследствии, в 2007 году, было установлено в Звёздном Городке и использовалось для тренировки космонавтов. Профессор Ваутс лично проводил на нём тестирование для 44 космонавтов до и после космического полёта. А несколько лет назад кресло стало частью нового проекта по исследованию ИГ, который проводят д-р Ваутс и его команда.
Вращающееся кресло. Из презентации Флориса Ваутса
Флорис Ваутс продемонстрировал кадры работы космонавтов с креслом, в том числе с усиленной нагрузкой на голову. Также он упомянул о внешне несложном, но довольно рискованном эксперименте астронавта Тимоти Пика, который достигал эффекта ИГ без кресла простым вертикальным вращением. У космонавта отсутствует контроль над движением, и он рискует получить травму от удара об элементы внутренней конструкции корабля. Кроме того, для остановки вращения требуется помощь другого человека, иначе космонавт так и будет продолжать вертеться.
Как отмечал сам Тимоти Пик, вращение действительно создавало ощущение силы гравитации, наиболее выраженное в области головы.
Тимоти Пик вращается в вертикальной плоскости. Из презентации Флориса Ваутса
В целом можно сказать, что метод работает, но скорее как средство исследования ИГ и вряд ли может служить основным при долговременном пребывании в космосе. Аналогичный эффект имеют применяющиеся в экспериментах на Земле наклонные кровати.
«Я сам испытывал центрифугу и могу сказать, что это отнюдь не забава», – говорит д-р Ваутс.
К тому же у специалистов, отвечающих за работу станции, использование кресла вызывает возражения, так как вызванные его движением колебания нарушают её стабильность и управляемость. Около 10 лет назад центрифугу почти установили на МКС в рамках совместного проекта пяти космических агентств – ЕКА, НАСА, японского JAXA, «Роскосмоса» и канадского CSA. Но в конце концов Boeing, один из разработчиков МКС, отменил проект, потому что, по их словам, наличие вращающегося устройства на Международной космической станции вызвало бы вибрации. А эти вибрации значительно снизили бы надёжность МКС.
Вращающийся объект создаёт импульс, который влияет на МКС, и возникает необходимость одновременно конструировать некий объект, который вращается в противоположном направлении, чтобы эти устройства противодействовали друг другу.
По этой же причине у некоторых самолётов с пропеллером роторы вращаются в противоположных направлениях. В противном случае возникнет импульс, который повлияет на часть самолёта. Но наличие на МКС двух противовращающихся устройств, по мнению инженеров Boeing, вызовет сильные вибрации, что нежелательно. Хотя это необходимо подтвердить независимым исследованием.
Игорь Ашурбейли у системы визуальных и вестибулярных исследований (VVIS)
Игорь Ашурбейли и Флорис Ваутс в Лаборатории равновесных и аэрокосмических исследований (LEIA) в Антверпене у кресла с высокочастотным вращением
2. Использование вибраций и колебательных систем
Таким способом также возможно создать ИГ, но, если коротко, метод имеет тот же недостаток, что и индивидуальные вращающиеся устройства, поскольку в настоящее время не существует мер, позволяющих нейтрализовать негативное влияние на стабильность станции.
3. Вращающаяся станция
По мнению д-ра Ваутса, основной способ реально создать гравитацию в космосе – построить вращающийся космический корабль. Но если он будет вращаться целиком, то микрогравитации не будет, люди не будут парить в воздухе. А это означает, что площадь, пригодная для жизни, будет весьма ограниченной.
Здесь, на Земле, мы используем свои квартиры и дома в ограниченном масштабе. Мы не пользуемся каждым их кубическим сантиметром, а лишь полом и, возможно, полутора метрами над ним. Вращающийся космический корабль создаёт ситуацию, когда пространство для жизни сильно ограничено.
Фильм Стэнли Кубрика «2001 год: Космическая одиссея» показывает действительно большой вращающийся «бублик», в центре которого есть пространство, где созданы условия микрогравитации и люди могут парить. Кроме того, две секции космического корабля могут вращаться в противоположных направлениях для сохранения углового момента. «Это, по-видимому, лучший вариант, хотя он намного более дорогой», – говорит д-р Ваутс.
Председатель Парламента Лембит Опик задал вопрос, какого размера должен быть этот «бублик», чтобы получить достаточную гравитацию, которая оправдывала бы его использование и при этом не создавала бы проблем с дезориентацией?
Флорис Ваутс пояснил, что небольшой «бублик» должен вращаться достаточно быстро, чтобы создать необходимую искусственную гравитацию на уровне ног. Но это означало бы, что перепад между нижней и верхней частями пространства был бы весьма высок, и если взять чашку с кофе и поднести её ко рту, она окажется тяжелее внизу и гораздо легче – ближе ко рту, что довольно неудобно. Ещё хуже то, что такая ситуация будет сильно действовать на внутреннее ухо. Слишком маленький радиус или слишком быстрое вращение вызовут тошноту и дезориентацию. Поэтому, по мнению д-ра Ваутса, необходимый радиус – не менее 30 метров.
Джон Файн, председатель Комитета по торговле, упомянул компанию, которая построила целую бизнес-модель вокруг размещения в космосе орбитальной платформы, способной создавать, как он её назвал, «гравитацию вращения». Согласно заявлениям компании, их платформа может создавать гравитацию до 0,56 g. Однако это нуждается в проверке.
Глава Космической Нации Игорь Ашурбейли и директор Института медико-биологических проблем РАН академик Олег Орлов на стенде «Центрифуга короткого радиуса». Визит в ИМБП 5 декабря 2023 года
4. Ускорение и замедление
Отвечая на другой вопрос Джона Файна о том, изучаются ли какие-либо ещё методы создания искусственной гравитации помимо центробежного движения, Флорис Ваутс сообщил, что некоторое время тому назад экспериментировали с линейными салазками, которые также генерируют поступательное движение. Но на таких салазках можно двигаться только вперёд и назад, что не даёт нужного ощущения. Кроме того, требуется постоянная подача топлива.
Как бы то ни было, непрерывное ускорение и/или замедление остаётся возможным способом создания искусственной гравитации.
5. Магниты и ядерная энергия
Д-р Сара Кларк, председатель Финансового комитета, и её сын-школьник задали вопрос о возможности использования сильных магнитов или других мощных источников энергии для создания кругового движения, которое, в свою очередь, могло бы генерировать искусственную гравитацию.
Флорис Ваутс отнёсся к идее довольно скептически. Он сообщил, что создание движения в пространстве с помощью магнитной силы вряд ли сработает, поскольку должны быть силы реакции – действие и противодействие, что в итоге приведёт к нулевому результирующему движению, так как центр тяжести останется на том же месте из-за сохранения импульса. Это напоминает ситуацию, когда некто стоит на лодке и пытается толкать её вперёд, дуя в парус воздухом при помощи фена; в это же время воздух, выходящий из фена, толкает его назад, и в результате лодка не двигается.
Подводя итоги презентации и последовавшей оживлённой дискуссии, нельзя не упомянуть яркую иллюстрацию, которую использовал профессор Ваутс.
Самый простой, если не единственный, способ генерировать гравитацию в космосе – использовать вращающееся устройство. Всё, что вращается, фактически подвергается центробежной силе. Это легко проверить, взяв в руки ведро, наполненное водой, и начав вращать его вокруг себя. Вода не выльется. Круговое движение обеспечивает центробежную силу, и это фактически и есть то, что мы называем искусственной гравитацией. Всё остальное либо непрактично, либо неэффективно.
О том, почему так важно создать искусственную гравитацию и какие последствия для человеческого организма, и особенно мозга, возможны при её отсутствии, будет рассказано в заключительной части обсуждения. Также появится возможность ознакомиться с подробной презентацией профессора Ваутса.