Способ создания искусственной гравитации

Искусственная гравитация — популярная тема научной фантастики. Но она давно уже вышла за рамки книг и фильмов, став практической задачей ученых. Технологии искусственной гравитации, создающие эффект силы притяжения, разрабатываются и исследуются в Институте медико-биологических проблем (ИМБП) РАН в интересах предстоящих полетов в дальний космос.

Чтобы лететь на Марс

Зачем создавать искусственную гравитацию? Ведь сейчас экипажи Международной космической станции обходятся привычными средствами профилактики, чтобы справиться с влиянием невесомости. Человек может нормально существовать, когда на весь его организм действует знакомая сила притяжения Земли. В условиях невесомости этого воздействия нет, что чревато возникновением проблем со здоровьем. И если мускулатуру и суставы можно поддерживать в тонусе, занимаясь на специальных тренажерах, то внутренние органы таким образом не натренируешь. Чтобы полет, например, на Марс не представлял чрезмерного риска для здоровья, необходимо разработать установку, которая создавала бы искусственную гравитацию на космическом корабле.

Эквивалентом земной гравитации может быть центробежная сила, возникающая благодаря равномерному вращению всего объекта или его части. Первым идею создания в невесомости искусственной силы тяжести центробежной силой предложил К. Э. Циолковский. Об этом говорится в его книге «Грезы о Земле и небе» (1895 г.) и повести «Вне Земли» (1920 г.). Идея ученого заключается в построении тороидальной (тор — геометрическая фигура, имеющая форму баранки или спасательного круга) космической станции, напоминающей велосипедное колесо. Если колесо вращается в пространстве вокруг своей оси, то инерция и центробежная сила могут создать своего рода искусственную гравитацию, которая прижмет предметы к внешней поверхности. Это позволит людям и роботам ходить по полу, как на Земле, а не плавать в воздухе, как на МКС. Однако этот способ подойдет скорее нашим потомкам, так как в нем много нерешенных фундаментальных вопросов.

Когда голова идет кругом

Наземные эксперименты проводились в ИМБП начиная с 1960-х годов. Они показали, что перемещение человека во вращающейся среде неизбежно приводит к возникновению в вестибулярном аппарате эффекта укачивания — вплоть до развития клинической формы болезни движения. И чем больше скорость вращения, тем сильнее воздействие на вестибулярный аппарат. В разные годы изучалось влияние на организм человека длительного (до одного месяца) пребывания во вращающихся системах.

Итак, сначала была создана медленно вращающаяся камера МВК-1. Она имела кабину цилиндрической формы с осью вращения, проходящей через центр пола. Привод установки обеспечивал равномерное вращение с угловой скоростью от 0.9 до 6 оборотов в минуту. Сравнительно небольшие размеры МВК-1 (площадь около 3 м²) были рассчитаны на двух испытателей в сидячем положении. Продолжительность непрерывного пребывания в ней ограничивалась одной неделей.

Позднее была введена в строй более совершенная установка «Орбита», смонтированная на центрифуге с плечом длиной 20 м. Здесь уже был жилой отсек на двух человек, обеспечивающий бытовые удобства и проведение исследований.

В 1989 г. в ИМБП появилась медленно вращающаяся наземная установка «Юпитер-2», где созданы условия для активного и достаточно комфортного пребывания одновременно двух испытателей. Установка представляет собой металлический цилиндр диаметром 4.6 м и высотой 2.2 м. Ось вращения проходит через центр кабины, скорость вращения может быть от 1 до 15 оборотов в минуту.

В настоящее время стенд «Юпитер-2» передан в дар Государственному музею истории космонавтики имени К. Э. Циолковского в Калуге, где он станет частью новой экспозиции, открытие которой запланировано к 60-летию полета Ю. А. Гагарина. А ИМБП вплотную занялся наиболее реальной сегодня концепцией, подразумевающей использование на борту орбитальной станции центрифуги короткого радиуса для создания кратковременных, но периодически повторяющихся гравитационных нагрузок.

Гравитационная терапия

В СССР первая полноценная наземная центрифуга короткого радиуса была зарегистрирована в 1978 г. Она имела одно плечо длиной до 2 м и была оборудована ложементом. Ось вращения проецировалась на уровне глаз, примерно на уровне переносья. Предусматривалось создание перегрузки «голова — ноги» на уровне стоп до 4g. Исследования проводились, когда человек находился в положении лежа только на спине. На ножном конце ложемента центрифуги располагался велоэргометр для физической тренировки во время вращения. Врачебный пульт был оснащен комплексом аппаратуры для оперативного медицинского контроля за состоянием испытуемого во время вращения.

В результате исследований был решен вопрос о направлении действия перегрузок при вращении на центрифуге короткого радиуса в невесомости, а именно направление должно быть вдоль продольной оси тела от головы к ногам. Только этот вектор действия перегрузок создает гидростатическое давление крови, аналогичное тому, что испытывает человек стоя на Земле, и исчезающее в невесомости. В модельных исследованиях была доказана принципиальная возможность эффективного применения искусственной гравитации в профилактических целях.

К проблеме искусственной гравитации с использованием центрифуги короткого радиуса вернулись уже в наши дни в связи с тематикой перспективных межпланетных полетов. Современный лабораторный стенд центрифуги был создан в РКК «Энергия» по заказу специалистов ИМБП. Он вобрал в себя как опыт отечественной школы, так и практику зарубежных коллег (центрифуги короткого радиуса есть в Германии, США, Японии, Франции и Китае. — Ред.). В 2014 г. на центрифуге ИМБП нового поколения прошли первые медицинские испытания с участием четырех мужчин (в возрасте от 30 до 34 лет) с перегрузками направления «голова — таз» до (1.5–2) g на уровне стоп. После испытаний была проведена практически полная модернизация стенда.

Лежа стоять на Земле

Центрифуга нового поколения была введена в эксплуатацию в 2015 г., но и сейчас стенд продолжает совершенствоваться. Например, ведутся работы по созданию в закрытой кабине элементов виртуальной реальности. То есть, находясь в ложементе, человек будет не только ощущать земную или, скажем, марсианскую «тяжесть в ногах», но и сможет видеть образы поверхности планеты, на которой он будто бы стоит.

Испытания на новой центрифуге короткого радиуса с участием мужчин проводились в 2014–2019 гг. В 2019 г. три человека находились 21 день в условиях «сухой» иммерсии и периодически подвергались вращению на центрифуге короткого радиуса. Первое вращение было на второй день после закладки в иммерсионную ванну, дальше — через два дня на третий. Всего было восемь вращений. В прошлом году был сделан вынужденный перерыв из-за пандемии коронавируса, но в наступившем 2021 г. серия экспериментов будет продолжена. Запланировано такое же исследование с участием еще двух испытателей.

Женщины давно стали полноправными членами экипажей МКС, и их участие в будущих межпланетных космических миссиях не вызывает вопросов. Поэтому и искусственную гравитацию представительницы прекрасного пола также испытывают на себе. Впервые в исследованиях на центрифуге короткого радиуса женщины (шестеро добровольцев) участвовали в рамках эксперимента «Луна-2015». Результаты вращения по тестовым режимам подтвердили возможность лучшей половины человечества переносить перегрузки вполне благоприятно, наряду с мужчинами. Но есть особенности реакций женского организма, которые не позволяют полностью экстраполировать результаты мужской группы на женщин.

Модуль с гравитацией

Исследования и экспериментальная отработка технологии трансформируемых (надувных) модулей с размещением в них бортовой центрифуги короткого радиуса проводились в РКК «Энергия» с 2012 по 2015 год. В результате были выбраны и сертифицированы материалы, изготовлены и отработаны фрагменты оболочки, создан и испытан масштабный макет модуля. Проведенный анализ показал принципиальную возможность создания надувного модуля средней размерности с центрифугой короткого радиуса. Такой модуль запускается в сложенном виде и должен развернуться после стыковки к станции. Аналогичный надувной модуль BEAM уже несколько лет испытывается в составе американского сегмента МКС.

«Вопрос, когда будет создаваться данный модуль, на сегодняшний день открыт, — подчеркнул Олег Орлов. — Вероятнее всего, он просматривается в конфигурации новой российской орбитальной станции. На этапе создания макета бортового варианта центрифуги короткого радиуса мы совместно с коллегами из РКК „Энергия“ должны отработать медико-технические требования и решить вопросы не только габаритов изделия для проектируемого модуля, эргономики эксплуатации, но и ряд других: например, энергопотребление, образование воздушных потоков при вращении и т. п.

Среди важных вопросов — динамические характеристики стенда: скорость и время вращения, допустимые скорости разгона и торможения. Возможная передача вибрации на корпус модуля — тоже важный вопрос. У наших конструкторов есть опыт создания независимых подвесок для динамических медицинских стендов (в первую очередь бегущей дорожки), который может быть полезен и в перспективной работе. Ограничения, накладываемые на конструкцию и эксплуатационные характеристики изделия особенностями конкретного модуля и условиями эксплуатации в составе космической станции, должны быть проработаны на этапе создания макета установки, а затем уже окончательно решены на этапе проектирования бортовой центрифуги».

Не вместо, а вместе

Специалисты ИМБП отмечают: не следует рассматривать центрифугу короткого радиуса в качестве универсального профилактического средства от всех возможных неблагоприятных проявлений невесомости.

В ИМБП идет разработка периодичности использования центрифуги короткого радиуса. Возможно, она будет применяться в ранние сроки космического полета, начиная буквально со 2–3-го дня пребывания в невесомости и до окончания миссии.

Сила притяжения искусства

Искусственная гравитация фигурирует во многих книгах, фильмах, сериалах, комиксах и компьютерных играх. Например, в фильме Стэнли Кубрика «2001: Космическая одиссея» и одноименном романе Артура Кларка вращающаяся центрифуга космического корабля Discovery создает искусственную гравитацию. Люди там могут ходить по изогнутому «полу», который постоянно вращается внутри внешней оболочки корабля.

В фильме «Интерстеллар», созданном режиссером Кристофером Ноланом, космическая станция и Endurance образуют искусственную гравитацию, вращаясь с определенной частотой, чтобы имитировать гравитацию, аналогичную земной.

В романе Энди Вейра «Марсианин» и одноименном фильме космический корабль «Гермес» намеренно создает искусственную гравитацию. В нем используется кольцевая структура, на периферии которой действуют силы, равные около 40 % силы тяжести Земли. Такая искусственная гравитация похожа по силе на марсианскую. В центре кольцевой конструкции отсутствие гравитации делает космонавтов практически невесомыми.

Во вселенной телесериала «Звездный путь» искусственная гравитация достигается за счет использования «гравитационной пластины», встроенной в палубу звездолета. А в телесериале «Вдали», премьера которого состоялась в прошлом году, искусственная сила тяжести есть только в каютах экипажа, которые вращаются вокруг основной части космического корабля, не имеющей гравитации.

Источник

Искусственная гравитация: от «Космической одиссеи» Кубрика до античастицы

Жизнь в космосе вредна для людей — и не только из-за высоких доз радиации, от которых астронавтов защищают скафандры и корпуса летательных аппаратов. Астронавты на МКС с трудом улыбаются в камеру и с еще большим трудом пытаются встать. Из-за микрогравитации на МКС астронавтам приходится долго адаптироваться к условиям на Земле: вплоть до того, что некоторые заново учатся ходить. Полеты на Марс в будущем же отразятся на вестибулярном аппарате еще сильнее. Основное решение этой проблемы — искусственная гравитация, концепции создания которых предлагаются учеными с середины прошлого века. «Хайтек» рассказывает, насколько осуществима идея создания космических станций и кораблей с искусственной гравитацией и какие проекты существуют на данный момент.

Читайте «Хайтек» в

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 сравнили 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.

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 положило 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.

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.

Стыковочный отсек будет находится в центре станции — оттуда людей и грузы будут доставлять на лифтах в капсулы.

Способ привлечения денег компания выбрала неоднозначный: она намерена организовать лотерею, победители которой помимо денежного вознаграждения получат возможность бесплатно полететь на станцию и провести ночь в ее капсуле. Когда аппарат будет выведен на орбиту, в компании не раскрывают.

Над созданием аппарата с искусственной гравитацией для проведения долговременных космических исследований работала и НАСА. В 2011 году космическое агентство 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.

Источник