Як зробити штучну гравітацію у космосі. Штучна гравітація в Sci-Fi Шукаємо істину

Навіть якщо вам не дуже цікава тема космосу, шанси на те, що ви бачили його у фільмах, читали про нього в книгах або грали в ігри, де космічна тема займала б важливе місце, дуже високі. При цьому в більшості з творів є один момент, який, як правило, сприймається як щось зрозуміле - гравітація на космічному кораблі. Але чи це так просто і очевидно, як здається на перший погляд?

Спершу трохи матчасті. Якщо не заглиблюватися у фізику далі за шкільний курс (а його нам сьогодні буде цілком достатньо), то гравітація - це фундаментальна взаємодія тіл, завдяки якому всі вони притягують один одного. Більш масивні притягують сильніше, менш масивні – слабші.

Матчастина

У нашому випадку важливе таке. Земля є масивним об'єктом, тому люди, тварини, будинки, дерева, травинки, комп'ютер, з якого ви це читаєте – все це притягується до Землі. Ми до цього звикли і практично ніколи не думаємо про такі, здавалося б, дрібниці. Головним наслідком тяжіння Землі для нас є прискорення вільного падіння, також відоме як g, і дорівнює 9,8 м/с². Тобто. будь-яке тіло за відсутності опори однаково прискорюватиметься до центру Землі, набираючи 9,8 м/с швидкості кожну секунду.

Саме завдяки цьому ефекту ми можемо рівно стояти на ногах, мати поняття «верх» і «низ», кидати речі на підлогу, etc. Насправді дуже багато видів людської активності сильно змінилися б, якби забрати тяжіння Землі.

Найкраще це знають космонавти, які проводять істотну частину свого життя на МКС. Їм доводиться знову вчитися робити дуже багато речей, починаючи від того, як вони п'ють, закінчуючи походами з різних фізіологічних потреб. Ось кілька прикладів.

При цьому в багатьох фільмах, серіалах, іграх та інших творах Sci-Fi мистецтва гравітація на космічних кораблях «просто є». Її сприймають як належне і часто навіть не спроможні пояснювати. А як і пояснюють, то якось непереконливо. Чимось на кшталт «генераторів гравітації», принцип роботи яких містичний трохи більше, ніж повністю, тому фактично такий підхід мало відрізняється від «гравітація на кораблі просто є». Як на мене, не пояснювати зовсім якось чесніше.

Теоретичні моделі штучної гравітації

Але це зовсім не означає, що штучну гравітацію ніхто не намагається пояснити зовсім. Якщо поміркувати, то досягти її можна кількома способами.

Багато маси

Перший і "правильний" варіант - це зробити корабель дуже масивним. «Правильним» такий спосіб можна вважати тому, що саме гравітаційна взаємодія забезпечуватиме необхідний ефект.

При цьому нереальність цього способу, гадаю, очевидна. Для такого корабля потрібно буде дуже багато матерії. Та й із розподілом гравітаційного поля (а нам воно потрібне рівномірне) треба буде щось вирішувати.

Постійне прискорення

Оскільки нам потрібно досягти постійного прискорення вільного падіння в 9,8 м/с², то чому б не зробити космічний корабель у вигляді платформи, яка прискорюватиметься перпендикулярно до своєї площини з цим самим g? Таким чином потрібний ефект, безперечно, буде досягнутий.

Але є кілька очевидних проблем. По-перше, треба звідкись брати паливо задля забезпечення постійного прискорення. І навіть якщо хтось раптом вигадає двигун, який не вимагає викиду матерії, закон збереження енергії ніхто не скасовував.

Друга проблема полягає у самій природі постійного прискорення. По-перше, згідно з нашими нинішніми уявленнями про фізичні закони, прискорюватися вічно не можна. Теорія відносності дуже проти. По-друге, навіть якщо кораблю і змінювати напрямок періодично, то для забезпечення штучної гравітації йому завжди потрібно буде кудись летіти. Тобто. ні про які зависання поблизу планет не може бути й мови. Корабель буде змушений поводитися як землерийка, яка якщо зупиниться, то помре. Тож такий варіант нам не підходить.

Карусель-карусель

А ось тут уже починається найцікавіше. Впевнений, що кожен із читачів уявляє собі, як працює карусель і які ефекти може відчувати людина, яка в ній перебуває. Все, що знаходиться на ній, прагне вискочити назовні пропорційно швидкості обертання. З погляду каруселі ж виходить, що на все діє сила, спрямована вздовж радіусу. Цілком собі «гравітація».

Таким чином, нам потрібний корабель у формі бочки, який обертатиметься навколо поздовжньої осі. Такі варіанти досить часто зустрічаються в науковій фантастиці, так що світ Sci-Fi не так і безнадійний щодо пояснення штучної гравітації.

Отже, ще трохи фізики. При обертанні навколо осі виникає відцентрова сила, спрямована вздовж радіусу. В результаті нескладних обчислень (поділивши силу на масу) ми отримуємо прискорення. Вважається вся ця справа за нехитрою формулою:

a=ω²R,

де a- Прискорення, R- Радіус обертання, а, ω - Кутова швидкість, що вимірюється в радіанах в секунду. Радіан це приблизно 57,3 градусів.

Що ж нам потрібно отримати для нормального життя на нашому уявному космічному крейсері? Нам необхідна така комбінація радіусу корабля та кутової швидкості, щоб їхній твір давав у результаті 9,8 м/с².

Щось подібне ми могли бачити в багатьох творах: «2001 рік: Космічна одіссея» Стенлі Кубріка, серіал "Вавілон 5", нолановський « » , роман «Мир-Кільце» Ларрі Нівена, всесвіт та інші. У всіх них прискорення вільного падіння приблизно дорівнює gтак що все виходить цілком логічним. Однак і у цих моделях існують проблеми.

Проблеми у «каруселі»

Найявнішу проблему, мабуть, найпростіше пояснити на «Космічній одіссеї». Радіус корабля становить приблизно 8 метрів. Нескладними обчисленнями отримуємо, що для досягнення прискорення рівного g знадобиться кутова швидкість приблизно 1,1 рад/с, що дорівнює приблизно 10,5 оборотів на хвилину.

При таких параметрах виходить, що набирає чинності ефект Коріоліса. Якщо не заглиблюватися в технічні подробиці, то проблема в тому, що на різній «висоти» від підлоги на тіла, що рухаються, буде діяти різна сила. І залежить вона від кутової швидкості. Так що в нашій віртуальній конструкції ми не можемо собі дозволити обертати корабель занадто швидко, оскільки це загрожує проблемами, починаючи від раптових неінтуїтивних падінь, закінчуючи проблемами з вестибулярним апаратом. А з урахуванням вищезгаданої формули прискорення, не можемо собі дозволити і маленький радіус корабля. Тому модель космічної одіссеї відпадає. Приблизно та ж проблема і з кораблями з «Інтерстелара», хоча там із цифрами все не так очевидно.

Друга проблема знаходиться, як кажуть, з іншого боку спектра. У романі Ларрі Нівена «Мир-Кільце»корабель є гігантським кільцем з радіусом приблизно рівним радіусу земної орбіти (1 а.е. ≈ 149 млн км). Таким чином, виходить, що він обертається з цілком задовільною швидкістю, щоб ефект Коріоліса був непомітний для людини. Все, начебто, сходиться, але є й одне але. Щоб створити таку конструкцію, знадобиться неймовірно міцний матеріал, який повинен буде витримати величезні навантаження, адже один оборот повинен займати близько 9 днів. Як забезпечити достатню міцність такої конструкції людству невідомо. Не кажучи вже про те, що десь треба взяти стільки матерії і всю цю справу збудувати.

У випадку з Haloабо "Вавілон 5"всі попередні проблеми начебто відсутні. І швидкість обертання достатня для того, щоб ефект Коріоліса не мав негативного впливу, і побудувати такий корабель у принципі реально (хоч би теоретично). Але й ці світи мають свій мінус. Ім'я йому – момент імпульсу.

Розкручуючи корабель навколо осі, ми перетворюємо його на гігантський гіроскоп. А відхилити гіроскоп від осі, як відомо, досить складно. Все саме через момент імпульсу, кількість якого має зберігатися у системі. А це означає, що летіти кудись у певному напрямку буде тяжко. Але й цю проблему можна вирішити.

Як має бути

Називається це рішення «циліндр О’Ніла». Конструкція його досить проста. Ми беремо два однакові кораблі-циліндри, з'єднані вздовж осі, кожен з яких обертається у свій бік. У результаті маємо нульовий сумарний момент імпульсу, отже, проблем із напрямом корабля у потрібному напрямі не повинно бути. При радіусі корабля приблизно 500 м (як у Вавилоні 5) чи більше все має працювати як треба.

Разом

Отже, які ми можемо зробити висновки про те, як має бути реалізована штучна гравітація в космічних кораблях? З усіх реалізацій, що запропоновані в різноманітних творах, найреальнішим виглядає саме конструкція, що обертається, в якій сила, спрямована «вниз», забезпечується доцентровим прискоренням. Створити ж штучну гравітацію на кораблі з плоскими паралельними конструкціями на кшталт палуб (як часто малюють у різному Sci-Fi), враховуючи наші сучасні розуміння законів фізики, неможливо.

Радіус корабля, що обертається, повинен бути достатнім, щоб ефект Коріоліса був досить незначним, щоб не впливати на людину. Хорошими прикладами з придуманих світів можуть бути згадані. Haloі Вавилон 5.

Для керування такими кораблями потрібно побудувати циліндр О'Ніла - дві «бочки», що обертаються у різному напрямку, щоб забезпечити нульовий сумарний момент імпульсу для системи. Це дозволить здійснювати адекватне керування кораблем.

Отже, ми маємо цілком реальний рецепт забезпечення космонавтів комфортними гравітаційними умовами. І до того моменту, як ми зможемо реально побудувати щось подібне, хотілося б, щоб творці ігор, фільмів, книг та інших творів про космос приділяли більше уваги фізичній реалістичності.

Умови невагомості, що відтворюється літаком лабораторії, найбільш близькі до умов реального космічного польоту і дозволяють відпрацьовувати більшість операцій у проміжки часу заданої величини – 25-30 секунд. У період із 1967 по 1979 роки такі польоти проводилися літаками-лабораторіях Ту-104А. З 1980 року до теперішнього часу польоти на невагомість проводяться з використанням літаків-лабораторій ІЛ-76 МДК.

Польоти на невагомість виконуються траєкторією, званої «парабола Кеплера». Тому часто називають «параболическими». Методику виконання таких польотів пілотами літаків-лабораторій ретельно відпрацьовано. Параболічні польоти виконуються в такий спосіб. У зоні виконання польотів літак летить горизонтально на висоті шість тисяч метрів. Потім літак із прискоренням починає набирати висоту під кутом 45 градусів. У криволінійному польоті всіх присутніх на борту діють навантаження величиною до 2g. Це відчуття тяжкості триває недовго – приблизно 15 секунд, доки літак вибирається на підйом. На висоті дев'ять тисяч метрів пілот майже повністю прибирає потяг двигунів, і літак продовжує політ за інерцією. Як тільки сила інерції, протилежна за напрямом силі тяжіння, стає їй за величиною, то сила тяжіння всередині салону літака-лабораторії стає дорівнює нулю. Тому вага людей та обладнання, що знаходяться всередині літака, дорівнює нулю, і вони перебувають у стані невагомості. Це відбувається у верхній точці параболи Кеплера. Потім пілот віддає штурвал від себе, і літак починає різке зниження мінімальної тязі двигунів. Зниження відбувається під тим самим кутом, як і набір висоти. Невагомість може тривати 22-28 секунд, залежно від умов виконання польоту. Після цього проміжку часу екіпаж максимально збільшує тягу двигунів і переводить машину в горизонтальний політ на висоті шість тисяч метрів.

Навіть людина, яка не цікавиться космосом, хоч раз бачила фільм про космічні подорожі або читала про такі речі в книгах. Практично у всіх подібних творах люди ходять по кораблю, нормально сплять, не мають проблем із прийомом їжі. Це означає, що у цих - вигаданих - кораблях є штучна гравітація. Більшість глядачів сприймає це як щось цілком природне, але це зовсім не так.

Штучна гравітація

Так називають зміну (у будь-який бік) звичної для нас гравітації шляхом застосування різних способів. І робиться це у фантастичних творах, а й у цілком реальних земних ситуаціях, найчастіше, для експериментів.

Теоретично створення штучної гравітації виглядає негаразд складно. Наприклад, відтворити її можна за допомогою інерції, точніше, Потреба в цій силі виникла не вчора - сталося це відразу, як тільки людина почала мріяти про тривалі космічні перельоти. Створення штучної гравітації в космосі дозволить уникнути безлічі проблем, що виникають при тривалому знаходженні в невагомості. У космонавтів слабшають м'язи, кістки стають менш міцними. Подорожуючи за таких умов місяці, можна отримати атрофію деяких м'язів.

Таким чином, на сьогоднішній день створення штучної гравітації – завдання першорядної важливості, без цього вміння просто неможливе.

Матчастина

Навіть ті, хто знають фізику лише на рівні шкільної програми, розуміють, що гравітація - один із фундаментальних законів нашого світу: всі тіла взаємодіють один з одним, відчуваючи взаємне тяжіння/відштовхування. Чим більше тіло, тим вища його сила тяжіння.

Земля для нашої реальності – об'єкт дуже масивний. Саме тому всі без винятку тіла довкола до неї притягуються.

Для нас це означає, що прийнято вимірювати в g, що дорівнює 9.8 метра за квадратну секунду. Це означає, що якби під ногами у нас не було опори, ми б падали зі швидкістю, яка щомиті збільшується на 9.8 метра.

Таким чином, лише завдяки гравітації ми здатні стояти, падати, нормально їсти та пити, розуміти, де знаходиться верх, де низ. Якщо тяжіння зникне – ми опинимося у невагомості.

Особливо добре знайомі з цим феноменом космонавти, які опиняються в космосі в стані ширяння - вільного падіння.

Теоретично вчені знають, як створити штучну гравітацію. Існує кілька методик.

Велика маса

Найлогічніший варіант – зробити настільки великим, щоб на ньому виникала штучна гравітація. На кораблі можна буде почуватися комфортно, оскільки не буде втрачено орієнтацію у просторі.

На жаль, цей спосіб за сучасного розвитку технологій нереальний. Щоб спорудити такий об'єкт, потрібно дуже багато ресурсів. Крім того, для його підйому буде потрібна неймовірна кількість енергії.

Прискорення

Здавалося б, якщо потрібно досягти g, рівного земному, потрібно лише надати кораблю плоску (платформоподібну) форму, і змусити його рухатися перпендикуляром до площини з потрібним прискоренням. Таким шляхом буде отримано штучну гравітацію, причому - ідеальну.

Однак насправді все набагато складніше.

Насамперед варто врахувати паливне питання. Для того, щоб станція постійно прискорювалася, необхідно мати безперебійне джерело живлення. Навіть якщо раптово з'явиться двигун, який не викидає матерію, закон збереження енергії залишиться в силі.

Друга проблема полягає у самій ідеї постійного прискорення. Згідно з нашими знаннями та фізичними законами, неможливо прискорюватися до нескінченності.

Крім того, такий транспорт не підходить для дослідницьких місій, оскільки він має постійно прискорюватись – летіти. Він зможе зупинитися вивчення планети, він навіть повільно пролетіти навколо неї зможе - треба прискорюватися.

Таким чином, стає ясно, що і така штучна гравітація нам поки що недоступна.

Карусель

Кожен знає, як обертання каруселі впливає тіло. Тому влаштування штучної гравітації за цим принципом здається найбільш реальним.

Все, що знаходиться в діаметрі каруселі, прагне випасти з неї зі швидкістю приблизно рівної швидкості обертання. Виходить, що на тіла діє сила, спрямована вздовж радіуса об'єкта, що обертається. Це дуже схоже на гравітацію.

Отже, потрібний корабель, що має циліндричну форму. При цьому він має обертатися довкола своєї осі. До речі, штучна гравітація на космічному кораблі, створена за цим принципом, досить часто демонструється в науково-фантастичних фільмах.

Бочкоподібний корабель, обертаючись навколо поздовжньої осі, створює відцентрову силу, напрямок якої відповідає радіусу об'єкта. Щоб обчислити прискорення, що отримується, потрібно розділити силу на масу.

У цій формулі результат розрахунків – прискорення, перша змінна – вузлова швидкість (вимірюється у кількості радіан за секунду), друга – радіус.

Відповідно, для отримання звичної нам g, необхідно грамотно поєднувати і радіус космічного транспорту.

Подібна проблема висвітлена у таких фільмах, як «Інтерсолах», «Вавилон 5», «2001 рік: Космічна одіссея» та подібні до них. У всіх цих випадках штучна гравітація наближена до прискорення земного вільного падіння.

Якою б не була хороша ідея, реалізувати її досить складно.

Проблеми методу "карусель"

Найочевидніша проблема висвітлена в «Космічній одіссеї». Радіус «космічного перевізника» складає близько 8 метрів. Щоб отримати прискорення в 9.8, обертання має відбуватися зі швидкістю, приблизно, 10.5 обороту щохвилини.

При зазначених величинах проявляється «ефект Коріоліса», який у тому, що у різному віддаленні від статі діє різна сила. Вона безпосередньо залежить від кутової швидкості.

Виходить, штучна гравітація в космосі створена буде, проте надто швидке обертання корпусу призведе до проблем із внутрішнім вухом. Це, своєю чергою, викликає порушення рівноваги, проблеми з вестибулярним апаратом та інші - аналогічні - труднощі.

Виникнення цієї перепони свідчить, що подібна модель вкрай невдала.

Можна спробувати піти від зворотного, як надійшли у романі «Мир-Кольцо». Тут корабель виконаний у формі кільця, радіус якого наближений до радіусу нашої орбіти (близько 150 млн км). При такому розмірі його обертання цілком достатньо, щоб ігнорувати ефект Коріоліса.

Можна припустити, що проблему вирішено, проте це зовсім не так. Справа в тому, що повний оберт цієї конструкції навколо своєї осі займає 9 днів. Це дозволяє припустити, що навантаження виявляться занадто великими. Для того щоб конструкція їх витримала, необхідний дуже міцний матеріал, який на сьогоднішній день ми не маємо. Крім того, проблемою є кількість матеріалу та безпосередньо процес будівництва.

В іграх подібної тематики, як і у фільмі «Вавилон 5», ці проблеми якимось чином вирішені: цілком достатня швидкість обертання, ефект Коріоліса не є суттєвим, гіпотетично створити такий корабель можливо.

Однак навіть такі світи мають нестачу. Звати його – момент імпульсу.

Корабель, обертаючись навколо осі, перетворюється на величезний гіроскоп. Як відомо, змусити гіроскоп відхилитися від осі вкрай складно завдяки важливому, щоб його кількість не залишала систему. Це означає, що задати напрямок цьому об'єкту буде дуже складно. Однак таку проблему можна вирішити.

Рішення проблеми

Штучна гравітація на космічній станції стає доступною, коли на допомогу приходить «циліндр О'Ніла». Для створення цієї конструкції необхідні однакові циліндричні кораблі, які з'єднують уздовж осі. Обертатися вони мають у різні боки. Результатом такої складання є нульовий момент імпульсу, тому не повинно виникнути труднощів із наданням кораблю необхідного спрямування.

Якщо можна зробити корабель радіусом близько 500 метрів, то він працюватиме так, як і повинен. При цьому штучна гравітація в космосі буде цілком комфортною та придатною для тривалих перельотів на кораблях чи дослідницьких станціях.

Space Engineers

Як створити штучну гравітацію, відомо творцям гри. Втім, у цьому фантастичному світі гравітація - це взаємне тяжіння тіл, але лінійна сила, покликана прискорити предмети у заданому напрямі. Тяжіння тут не абсолютно, воно змінюється при перенаправленні джерела.

Штучна гравітація на космічній станції створюється за допомогою спеціального генератора. Вона рівномірна та рівноспрямована в зоні дії генератора. Так, у реальному світі, потрапивши під корабель, в якому встановлено генератор, ви були б притягнуті до корпусу. Однак у грі герой падатиме доти, поки не залишить периметр дії пристрою.

Сьогодні штучна гравітація в космосі, створена таким пристроєм, для людства недоступна. Однак навіть вибілені сивини розробники не перестають мріяти про неї.

Сферичний генератор

Це найбільш реалістичний варіант устаткування. При його встановленні гравітація має напрямок до генератора. Це дає можливість створити станцію, гравітація якої дорівнюватиме планетарній.

Центрифуга

Сьогодні штучна гравітація Землі зустрічається у різних пристроях. Засновані вони здебільшого на інерції, оскільки ця сила відчувається нами аналогічно гравітаційному впливу – організм не розрізняє, яка причина викликає прискорення. Як приклад: людина, що піднімається в ліфті, відчуває вплив інерції. Очима фізика: підйом ліфта додає до прискорення вільного падіння прискорення кабіни. При поверненні кабіни до розміреного руху «надбавка» у вазі зникає, повертаючи звичні відчуття.

Вчених давно цікавить штучна гравітація. Центрифуга використовується для цих цілей найчастіше. Цей метод підходить не тільки для космічних кораблів, але і для наземних станцій, в яких потрібно вивчати гравітацію на людський організм.

Вивчити на Землі, застосовувати в...

Хоча вивчення гравітації почалося із космосу, це дуже земна наука. Навіть на сьогоднішній день досягнення у цій сфері знайшли своє застосування, наприклад, у медицині. Знаючи, чи можливо створити штучну гравітацію на планеті, можна використовувати її для лікування проблем з руховим апаратом чи нервовою системою. Понад те, вивченням цієї сили займаються передусім Землі. Це дає можливість космонавтам проводити експерименти, залишаючись під пильною увагою лікарів. Інша справа штучна гравітація в космосі, там немає людей, здатних допомогти космонавтам у разі непередбаченої ситуації.

Маючи на увазі повну невагомість, не можна брати до уваги супутник, що знаходиться на навколоземній орбіті. На ці об'єкти, хай і малою мірою, впливає земне тяжіння. Силу тяжкості, що утворюється у таких випадках, називають мікрогравітацією. Реальну гравітацію відчувають лише в апараті, що летить з постійною швидкістю у відкритому космосі. Втім, людський організм цієї різниці не відчуває.

Випробувати на собі невагомість можна при затяжному стрибку (до того як купол розкриється) або під час параболічного зниження літака. Такі експерименти часто ставлять у США, але у літаку це відчуття триває лише 40 секунд – це замало для повноцінного вивчення.

У СРСР ще 1973 року знали, чи можна створити штучну гравітацію. І не просто створювали її, а й певною мірою змінювали. Яскравий приклад штучного зменшення сили тяжіння – сухе занурення, іммерсія. Для досягнення необхідного ефекту потрібно покласти цупку плівку на поверхню води. Людина розміщується поверх неї. Під вагою тіла організм занурюється під воду, нагорі залишається голова. Ця модель демонструє беззаперечність із зниженою гравітацією, яка характерна для океану.

Немає необхідності вирушати до космосу, щоб відчути на собі вплив протилежної невагомості сили – гіпергравітації. При зльоті та посадці космічного корабля, в центрифузі навантаження можна не тільки відчути, а й вивчити.

Лікування гравітацією

Гравітаційна фізика вивчає навіть вплив невагомості на організм людини, прагнучи мінімізувати наслідки. Однак велика кількість досягнень цієї науки здатна стати в нагоді і звичайним жителям планети.

Великі надії медики покладають дослідження поведінки м'язових ферментів при міопатії. Це тяжке захворювання, що веде до ранньої смерті.

При активних фізичних заняттях у кров здорової людини надходить великий обсяг ферменту креатинофосфокінази. Причина цього явища незрозуміла, можливо, навантаження впливає на мембрану клітин таким чином, що вона «дірявиться». Хворі на міопатію отримують той же ефект без навантажень. Спостереження за космонавтами показують, що у невагомості надходження активного ферменту в кров значно знижується. Таке відкриття дозволяє припустити, що застосування імерсії дозволить знизити негативний вплив факторів, що призводять до міопатії. На даний момент проводяться досліди на тваринах.

Лікування деяких хвороб вже сьогодні проводиться з використанням даних, отриманих щодо гравітації, зокрема штучної. Наприклад, проводиться лікування ДЦП, інсультів, Паркінсона шляхом застосування навантажувальних костюмів. Практично закінчено дослідження позитивного впливу опори – пневматичного черевика.

Чи полетимо на Марс?

Останні досягнення космонавтів дають надію на реальність проекту. Є досвід медичної підтримки людини при тривалому перебування далеко від Землі. Багато користі принесли і дослідницькі польоти до Місяця, сила гравітації на якому в 6 разів менша за нашу рідну. Тепер космонавти та вчені ставлять перед собою нову мету – Марс.

Перш ніж вставати в чергу за квитком на Червону планету, слід знати, що очікує організм вже на першому етапі роботи – у дорозі. У середньому дорога до пустельної планети займе півтора роки – близько 500 діб. Розраховувати в дорозі доведеться тільки на власні сили, допомоги чекати просто ні звідки.

Підточуватиме сили безліч факторів: стрес, радіація, відсутність магнітного поля. Найголовніше ж випробування для організму – зміна гравітації. У подорожі людина «ознайомиться» із кількома рівнями гравітації. Насамперед це перевантаження при зльоті. Потім – невагомість під час польоту. Після цього - гіпогравітація у місці призначення, тому що сила тяжіння на Марсі менше 40% земної.

Як справляються з негативним впливом невагомості у тривалому перельоті? Є надія, що розробки в галузі створення штучної гравітації допоможуть вирішити це питання в найближчому майбутньому. Досліди на щурах, що подорожують на «Космос-936», показують, що цей прийом не вирішує всіх проблем.

Досвід ОС показав, що набагато більше користі організму здатне принести застосування тренажерних комплексів, здатних визначити необхідне навантаження для кожного космонавта індивідуально.

Поки що вважається, що на Марс полетять не лише дослідники, а й туристи, які бажають заснувати колонію на Червоній планеті. Для них, принаймні перший час, відчуття від перебування у невагомості переважать усі докази медиків про шкоду тривалого перебування в таких умовах. Однак через кілька тижнів допомога буде потрібна і їм, тому так важливо зуміти знайти спосіб створити на космічному кораблі штучну гравітацію.

Підсумки

Які висновки можна зробити про створення штучної гравітації у космосі?

Серед усіх варіантів, що розглядаються в даний момент, найбільш реалістично виглядає конструкція, що обертається. Однак за нинішнього розуміння фізичних законів це неможливо, оскільки корабель - це не порожнистий циліндр. Усередині нього є перекриття, що заважають втіленню ідей.

Крім того, радіус корабля повинен бути настільки великим, щоб ефект Коріоліса не суттєво впливав.

Щоб керувати чимось подібним, потрібно згаданий вище циліндр О'Ніла, який дасть змогу керувати кораблем. В цьому випадку підвищуються шанси застосування такої конструкції для міжпланетних перельотів із забезпеченням команди комфортним рівнем гравітації.

Перш ніж людству вдасться втілити свої мрії у життя, хотілося б бачити у фантастичних творах трішки більшої реалістичності та ще більшого знання законів фізики.

Для об'єктів, що знаходяться в космосі, обертання - справа звична. Коли дві маси рухаються відносно один одного, але не назустріч або один від одного, їх гравітаційна сила створює момент, що крутить. У результаті Сонячної системі всі планети обертаються навколо Сонця.

Але це те, на що людина не впливала. Навіщо обертаються космічні апарати? Щоб стабілізувати становище, постійно спрямовувати прилади в потрібний бік і в майбутньому – для створення штучної гравітації. Давайте розберемо ці питання докладніше.

Стабілізація обертанням

Б. В. Раушенбах, академік і лауреат Ленінської премії, писав в “Управлінні рухом космічних апаратів” про три основні типи завдань управління рухом космічного апарату:

1. Отримання потрібної траєкторії (управління рухом центру мас),
2. управління орієнтацією, тобто отримання потрібного положення корпусу космічного апарату щодо зовнішніх орієнтирів (управління обертальним рухом навколо центру мас);
3. Випадок, коли ці два типи керування реалізуються одночасно (наприклад, при зближенні космічних апаратів).

Пристосований до життя в умовах земного тяжіння організм умудряється вижити і без нього. І не лише вижити, а й активно працювати. Але це невелике диво обходиться не без наслідків. Досвід, накопичений за десятиліття польотів людини в космос, показав: людина відчуває в космосі багато навантажень, які залишають слід на тілі та психіці.

На Землі наш організм бореться із гравітацією, яка тягне кров униз. У космосі ця боротьба триває, але сила гравітації відсутня. Тому космонавти одутлі. Внутрішньочерепний тиск зростає, зростає тиск на очі. Це деформує зоровий нерв та впливає на форму очних яблук. Знижується вміст плазми у крові, і через зменшення кількості крові, яку потрібно качати, атрофуються м'язи серця. Дефект кісткової маси значний, кістки стають крихкими.

Щоби подолати ці ефекти, люди на орбіті змушені щодня займатися фізичними тренуваннями. Тому створення штучної сили тяжкості вважають за бажане для довготривалих космічних подорожей. Така технологія повинна створити фізіологічно природні умови для проживання людей на борту апарату. Ще Костянтин Ціолковський вважав, що штучна гравітація допоможе вирішити багато медичних проблем польоту людини в космос.

Сама ідея заснована на принципі еквівалентності сили гравітації та сили інерції, який говорить: «Сили гравітаційної взаємодії пропорційні гравітаційній масі тіла, сили інерції ж пропорційні інертній масі тіла. Якщо інертна і гравітаційна маси рівні, неможливо відрізнити, яка сила діє це досить мале тіло - гравітаційна чи сила інерції».

Така технологія має недоліки. У випадку з апаратом невеликого радіусу різна сила впливатиме на ноги і на голову - чим далі від центру обертання, тим сильніша штучна гравітація. Друга проблема - сила Коріоліса, через вплив якої людину заколисуватиме при русі щодо напрямку обертання. Щоб цього уникнути, апарат має бути величезним. І третє важливе питання пов'язане зі складністю розробки та збирання такого апарату. При створенні такого механізму важливо продумати, як уможливити постійний доступ екіпажу до відсіків зі штучною гравітацією і як змусити цей тор рухатися плавно.

У реальному житті такої технології для будівництва космічних кораблів ще не використовували. Для МКС пропонували надувний модуль із штучною гравітацією для демонстрації прототипу корабля Nautilus-X. Але модуль доріг і створював би значні вібрації. Робити всю МКС зі штучною гравітацією з поточними ракетами важко здійснити - довелося б збирати все на орбіті частинами, що в рази ускладнило б розмах операцій. А ще ця штучна гравітація перекреслила б саму суть МКС як літаючої мікрогравітаційної лабораторії.

Концепт надувного модуля із мікрогравітацією для МКС.

Натомість штучна гравітація живе в уяві фантастів. Корабель «Гермес» з фільму «Марсіанін» має в центрі тор, що обертається, який створює штучну гравітацію для поліпшення стану екіпажу і зниження впливу невагомості на організм.

Національне аерокосмічне агентство США розробило шкалу рівнів готовності технології TRL з дев'яти рівнів: з першого по шосте – розвиток у рамках науково-дослідних робіт, з сьомого та вище – дослідно-конструкторські роботи та демонстрація працездатності технологій. Технологія з фільму «Марсіанін» відповідає поки що лише третьому чи четвертому рівню.

У науково-фантастичній літературі та фільмах є багато застосувань цієї ідеї. У серії романів Артура Кларка "Космічна Одіссея" описувався "Discovery One" у формі гантелі, сенс якої - відокремити ядерний реактор із двигуном від житлової зони. Екватор сфери містить у собі «карусель» діаметром 11 метрів, що обертається зі швидкістю близько п'яти обертів за хвилину. Ця центрифуга створює рівень гравітації, що дорівнює місячному, що має запобігати фізичній атрофії в умовах мікрогравітації.

"Discovery One" з "Космічної Одіссеї"

В аніме-серіалі Planetes космічна станція ISPV-7 має величезні приміщення зі звичною гравітацією земної. Житлова зона та зона для рослинництва розміщені у двох торах, що обертаються у різних напрямках.

Навіть тверда фантастика ігнорує величезну вартість такого рішення. Ентузіасти взяли для прикладу корабель «Елізіум» із однойменного фільму. Діаметр колеса – 16 км. Маса – близько мільйона тонн. Відправлення вантажів на орбіту коштує 2700 доларів за кілограм, SpaceX Falcon дозволить скоротити цю цифру до 1650 доларів за кілограм. Але доведеться здійснити 18 382 запуску, щоб доставити таку кількість матеріалів. Це 1 трильйон 650 мільярдів американських доларів – майже сто річних бюджетів НАСА.

До реальних поселень у космосі, де люди можуть насолоджуватися звичними 9,8 м/с прискорення вільного падіння, ще далеко. Можливо, повторне використання частин ракет та космічні ліфти дозволять наблизити таку епоху.