[Перевод] Спросите Итана: Может ли кевларовый трос создать в космосе искусственную гравитацию?

Огромным препятствием для нормального существования человеческого организма в космосе является то, что мы плохо переносим условия невесомости или пониженной гравитации. Могут ли две вращающиеся капсулы, соединенные тросом, решить эту проблему?
Ключевые тезисы:
В условиях микрогравитации космического пространства человеческий организм страдает от множества недугов: космической слепоты, потери костной массы, атрофии мышц, нарушений сна и др.
Чтобы противодействовать долгосрочным последствиям, которые среда с нулевой гравитацией (или микрогравитацией) оказывает на человеческое тело, многие предлагают использовать принцип эквивалентности Эйнштейна, заменив гравитационное ускорение другим типом ускорения, и это вполне осуществимая альтернатива.
Однако большинство планов по созданию искусственной гравитации, когда вращательное движение и центростремительное ускорение позволяют относительно небольшим космическим структурам имитировать гравитацию, сталкиваются с огромной проблемой: побочными вестибулярными эффектами. Вот главное биологическое препятствие, с которым людям придется считаться.
Если мы хотим отправиться в космос на значительный срок, мы должны быть готовы столкнуться с рядом недугов. Среда с нулевой гравитацией (или микрогравитацией) в космосе во многих отношениях катастрофична для нормальных повседневных функций человеческого тела. В отсутствие гравитации, которая ориентирует нас, тянет наши органы вниз и обеспечивает сопротивление, заставляющее наше тело строить и поддерживать крепкие кости и мышцы, возникают различные виды проблем, которые накапливаются и усугубляются по мере того, чем дольше мы остаемся в космосе. Есть веская причина, по которой большинство астронавтов проводят в космосе лишь относительно короткий период времени: наши тела сильно деградируют в условиях невесомости, делая нас менее приспособленными к успешной жизни на Земле после возвращения.
Одним из способов обойти эту проблему было бы создание искусственной гравитации в космосе. В конце концов, одним из величайших прозрений Эйнштейна был принцип эквивалентности: осознание того, что гравитация — это просто иная форма ускорения, и что наблюдатель, испытывающий это ускорение, не сможет определить, является ли оно гравитационным или негравитационным. Итак, могли бы мы использовать определенный тип недорогого искусственного ускорения — с двумя отдельными вращающимися кораблями, соединенными тросом, чтобы обеспечить эту искусственную гравитацию? Об этом спрашивает Джон Томлинсон в своем письме:
«Какой длины должен быть кевларовый трос, чтобы астронавты ощущали центростремительное ускорение так же комфортно, как и гравитацию? Почему бы нам не отправить на орбиту километровый кевларовый трос, растянуть его между двумя капсулами, раскрутить и получить искусственную гравитацию?»
В принципе, мы могли бы это сделать. В принципе, мы могли бы даже сделать эквивалент величины гравитации на поверхности Земли. Но на практике это столкнётся с серьезными препятствиями. Ниже о том, какие трудности и проблемы будут преследовать нас на этом пути.

Для NASA давно не секрет, что долгосрочные, кумулятивные эффекты космических полетов на человеческий организм являются глубокими и в подавляющем большинстве негативными. Сейчас для их количественной оценки используют акроним RIDGE, обозначающий виды неблагоприятных воздействий:
Radiation (Радиация), включая электромагнитное и корпускулярное излучение,
Isolation (Изоляция), включая отрыв от людей и пребывание в замкнутом пространстве,
Distance (Расстояние), а именно удаленность от планеты Земля,
Gravity (Гравитация), то есть пониженная (нулевая/микро) гравитация, возникающая при покидании Земли, и
Environment (Окружающая среда), что означает пребывание во враждебном, тесном, замкнутом пространстве.
С радиацией можно справиться, обеспечив значительные слои защиты и оставаясь под влиянием магнитосферы Земли и поясов Ван Аллена. Было показано, что изоляция влияет лишь на некоторых астронавтов и только в краткосрочной перспективе, как продемонстрировал нынешний рекордсмен по продолжительности непрерывного космического полета Валерий Поляков на станции «Мир» в 1994-1995 годах. Расстояние и окружающая среда не обязательно являются фатальными факторами, поскольку это в значительной степени психологические эффекты, которые можно смягчить с помощью различных вмешательств или просто путем отбора людей, которые не так сильно подвержены их влиянию.
Но гравитация, буква «G» в RIDGE, является реальной проблемой для астронавтов как на физическом, так и на психологическом уровне.

Гравитация здесь, на Земле, выполняет множество функций и удаление этой гравитационной силы (точнее, удаление силы нормальной реакции опоры, которая толкает нас вверх в гравитационном поле Земли) лишает нас возможности выполнять эти функции или затрудняет их. К ним относятся следующие:
Проприоцепция, или способность знать границы своего тела и понимать, как силы, которые мы прикладываем к телу, связаны с его движением. Без ориентирующей силы гравитации нашему мозгу приходится заново всему этому учиться.
Наличие силы нормальной реакции опоры, толкающей нас вверх, когда мы лежим, сидим, стоим, ходим или бежим, обеспечивает сопротивление, укрепляя наши мышцы и кости и давая нам ощущение стабильного равновесия. Подобно состоянию свободного падения на американских горках, астронавты в невесомости испытывают постоянное чувство тошноты: как будто их желудок подступил к горлу.
Возможность лучше засыпать, когда мы ложимся. В невесомости нет понятия «вниз», и, следовательно, нет положения для лежания, которое было бы удобным для человеческого тела. Ранее, уже в этом веке, NASA внедрило программу «подушконавт» (pillownaut) и обнаружило, что при моделировании нулевой/пониженной гравитации путем наклона кроватей под углом вниз участники гораздо хуже засыпали и поддерживали сон.
И, наконец, гравитация позволяет жидкостям нашего тела достигать положения равновесия внутри организма. Нарушение этого равновесия влияет на все: от космической анемии до заболеваний носовых пазух и нашей способности вообще видеть, а также создает постоянную срочную потребность организма в мочеиспускании, непрерывно рискуя обезвоживанием.
С течением времени это приводит ко множеству недугов, включая остеопению, тяжелую потерю плотности костной ткани (со скоростью 1,5% в месяц) а также атрофию мышц тела с гораздо большей скоростью, с потерей 10–20% мышечной массы в течение нескольких недель. Очень немногие астронавты, находившиеся в космосе долгое время, способны даже ходить своими силами сразу после возвращения на Землю.

Однако Эйнштейн даёт нам способ спастись от этих последствий. Люди действительно могли бы проводить длительные периоды времени в космосе, гораздо дольше нынешнего 14-месячного рекорда, если бы вместо пребывания в условиях естественной гравитации, характерной для поверхности Земли, мы ускорялись в космическом корабле, находящемся либо на орбите Земли, либо в другой точке межпланетного пространства. Принцип эквивалентности Эйнштейна гласит, что для любого наблюдателя в закрытой среде (например, в лифте или ракете) нет способа отличить гравитационное ускорение, которое ускоряет всё вниз к центру Земли, от любого другого типа ускорения. Оба типа одинаково хорошо нас ориентируют по направлению этого ускорения.
Простейший случай — это линейное ускорение: когда ракета непрерывно разгоняется, ускоряя всё внутри с постоянным ускорением, потенциально даже эквивалентным земному g, или 9,8 м/с2. Если обеспечивать такое ускорение непрерывно, астронавты внутри будут испытывать те же силы: как ту же силу нормальной реакции опоры от окружающей среды, так и те же физиологические силы внутри своего тела, которые обычно наблюдаются в состоянии покоя здесь, на поверхности Земли. Это был бы самый простой и прямой способ обеспечить искусственную гравитацию, но он также требует использования в устойчивом режиме огромного количества энергии: это нужно для обеспечения непрерывной тяги для создания этого линейного ускорения.

Альтернативой является то, что нам предлагают рассмотреть: что, если вместо линейного ускорения мы будем использовать вращательное ускорение? Это умное решение, которое рассматривается как минимум с 1929 года, когда исследователь, известный как Нордунг (Noordung, настоящее имя Герман Поточник, Hermann Potočnik), написал книгу под названием «Проблема космических путешествий», её английский перевод предоставлен NASA здесь. Хотя существует множество возможных конструкций, использующих эту концепцию, простейшая из них предполагает наличие большой цилиндрической или колесообразной космической станции, вращающейся вокруг своей центральной оси: невесомость в центре, но вращение создает центростремительную силу вдоль всего внешнего края. (Эта концепция стала широко известной после использования в космической станции в фильме 1968 года «2001 год: Космическая одиссея».)
Самая дешевая, наименее затратная версия, вместо строительства крупной конструкции, такой как цилиндр или колесо, такова:
Создать две капсулы равной массы,
развести их на определенное расстояние,
соединить их тросом, который нельзя растянуть или разорвать,
а затем привести их в относительное движение — равномерное движение по окружности вокруг их общего центра масс,
и они будут продолжать вращаться вокруг этой фиксированной точки, при этом центростремительное ускорение обеспечивает силу нормальной реакции опоры, всегда направленную к противоположной капсуле. На протяжении XX и XXI веков эта конструкция давала плодотворную почву для художников, футуристов и энтузиастов космоса всех мастей.

Но является ли это реально осуществимым решением проблемы обеспечения устойчивого долгосрочного присутствия человека в космосе?
Если мы хотим создать значительное количество искусственной гравитации, например, близкое к земному g, нужно, чтобы наш космический корабль вращался с определенной скоростью, где центростремительное ускорение определяется формулой a = v2/r. Поскольку угловая скорость сама по себе равна v/r, это означает, что если мы хотим воспроизвести гравитационное ускорение Земли, набор капсул, разделенных тросом:
длиной 20 метров требует вращения со скоростью чуть менее 10 оборотов в минуту,
длиной 200 метров требует вращения со скоростью около 3 оборотов в минуту,
и длиной 2000 метров требует вращения со скоростью чуть менее 1 оборота в минуту,
что иллюстрирует главный недостаток этого подхода.
Проблема в том, что космический корабль должен вращаться довольно быстро во всех случаях и должен накапливать большой угловой момент (момент импульса), сохраняя при этом баланс вокруг центра масс. Чем выше скорость, с которой нам нужно двигаться, и чем больше радиус от центра масс (или центра вращения), тем больше угловой момент, и во всех трех примерах он очень велик. 20-метровый трос требует скорости около 9,9 м/с, 200-метровый трос требует скорости около 31,3 м/с, а 2000-метровый трос требует впечатляющей скорости 99 м/с. Как видите, большие расстояния требуют накопления больших количеств углового момента, и удержать это в деликатном балансе — огромная задача.

Это также создаёт большую проблему для людей, которые, например, стоят на полу. Если предположить, что средний астронавт имеет рост около 1,7 метра (170 см), это означает, что существует огромная разница в ощущениях между ускорением, которое вы чувствуете ногами, и ускорением, которое вы чувствуете головой. Здесь, на Земле, поскольку радиус Земли огромен (более 6000 километров), а скорость вращения Земли относительно низка, всего один оборот в день, разница между ускорениями на вашей голове и на ваших ногах крошечная: около 500 частей на миллиард.
Однако, если ускорение создается искусственно, за счет подобного вращения, разница в ускорении может стать очень и очень большой.
Для троса длиной 2000 метров разница составляет около 0,02 м/с2, что примерно соответствует порогу человеческого восприятия. Вы можете не испытывать дезориентации, но вы можете почувствовать, что что-то происходит.
Для троса длиной 200 метров разница больше: примерно в десять раз, или 0,17 м/с2, что означает, что если вы пошевелитесь или даже наклоните голову с нормальной скоростью, вы почувствуете ощущение «плавания», как будто вы кружились на месте несколько секунд и вдруг остановились.
А для троса длиной 20 метров разница огромна: еще в десять раз больше, или около 1,7 м/с2, что составляет более 15% от вашего общего ускорения. Это вызовет сильное головокружение, тошноту и иллюзии не только при любом движении головы, но и при любом движении конечностей. Если вы не остаётесь совершенно неподвижным, вы испытаете сильное (но ложное) ощущение кувыркания, известное как иллюзия Кориолиса.

Причина этого не имеет ничего общего с чьей-либо выносливостью, и это не то, к чему человек может нормально адаптироваться. Проблема носит физиологический характер, и почти каждый человек должен с ней считаться. У нас есть сложный набор органов во внутреннем ухе, включая сеть протоков и мешочков, сделанных из мягкой ткани с мифическим названием: перепончатый лабиринт. Этот лабиринт не полый, а заполнен жидкостью, известной как эндолимфа, и движение этой жидкости, когда ваше тело ускоряется, вращается или даже когда вы наклоняете или поворачиваете голову, является тем, как вы испытываете ощущение ориентации, независимо от визуальных сигналов, которые вы получаете от глаз.
Если вы находитесь в среде, которая быстро вращается, и скорость вращения велика (не только с точки зрения абсолютной скорости, но и с точки зрения количества оборотов в минуту, которые вы испытываете), поток жидкости эндолимфы во внутреннем ухе будет нарушен, что приведёт к несоответствию между тем, что видят ваши глаза, и тем, как ведёт себя жидкость в вашем ухе. Это и приводит к ощущениям сильного дискомфорта, которые мы описали выше. Единственный способ избежать этих симптомов при искусственном вращении космической станции — построить чрезвычайно большую станцию, длиной более мили (1,6 км), и даже это будет на пределе человеческих возможностей. В идеале, чтобы избежать постоянных и стойких симптомов дезориентации, тошноты и дискомфорта, нам понадобилась бы станция еще длиннее, возможно, около 5 километров в диаметре.

С научной точки зрения, конечно, это возможно. Мы можем, в теории, построить, запустить и развернуть две капсулы равной массы. Мы можем разместить их так далеко друг от друга, как захотим, с соединяющим кабелем (мягким, как кевлар, либо даже жёстким, как стальной сплав). Мы можем прикрепить двигатели к каждой капсуле и медленно, но верно начать раскручивать свою конструкцию. И, в зависимости от размера, когда мы достигнем нужной скорости вращения, мы создадим искусственную среду обитания с искусственной гравитацией внутри: вплоть до ускорения g, аналогичному на поверхности Земли.
Проблема, однако, заключается в том, чтобы поддерживать баланс нашего углового момента с очень высокой точностью. Чем больше наше расстояние от центра вращения, тем легче мы можем возмутить свою систему даже небольшими движениями. Такое действие, как прыжок, подтягивание или перестановка предметов внутри капсулы, потребует полной перекалибровки нашего космического корабля, и это представляет собой огромное препятствие для его обитаемости. Причина, по которой конструкция в виде колеса, цилиндра или тора предпочтительнее простого троса с двумя массами, заключается в том, что распределение массы более равномерное, и поэтому она менее чувствительна к небольшим возмущениям или отклонениям.

Опасность перераспределения нашей массы (изменения момента инерции) в большой вращающейся системе заключается в том, что мы начнём получать дифференциальное вращение, которое начнёт создавать крутящие моменты на тросе или кабеле. Точно так же, как неотбалансированная шина может привести к катастрофе, если её не исправить, то, что вначале проявит себя как вибрации, дрожь или покачивания на орбите нашей капсулы, может привести к полной дестабилизации нашего космического корабля. Нам придется вносить постоянные коррективы в движение вращающегося космического корабля в то время, когда массы внутри него будут перемещаться или переставляться, и чем больше расстояние, на которое разделены наши две массы на тросе, тем сложнее будут эти коррекции.
Это не обязательно станет фатальным фактором, но именно эта инженерная сложность является причиной того, что никто пока не пытался построить такой космический корабль на практике, даже несмотря на то, что это самый дешевый и низкотехнологичный путь к созданию искусственной гравитации в космосе. Компромисс заключается в том, что для использования вращения для создания искусственной гравитации нам нужно сделать космический корабль достаточно большим, чтобы иллюзия Кориолиса не сделала жизнь несчастной, невыносимой для астронавтов на борту, и в то же время не создавать головоломную конструкцию с балансировкой крутящих моментов и углового момента для поддержания стабильной конфигурации вращения корабля. По первому критерию одной мили (1,6 км) едва ли достаточно, чтобы это было терпимо, но по второму критерию одна миля — это запредельно много, и она задаёт нам инженерные задачи, которые выходят далеко за рамки современных возможностей. В результате искусственная гравитация в космосе, увы, всё ещё остаётся задачей неопределенного будущего.
Только зарегистрированные пользователи могут участвовать в опросе. Войдите, пожалуйста.
0%Создавать вращающиеся конструкции для достижения 1g0
100%Создавать вращающиеся конструкции, при этом 0,4g, как на Марсе и силовых тренировок будет достаточно1
0%Силовые тренировки + лекарства + возможная модификация организма0
0%Проблема микрогравитации неразрешима ни сейчас, ни в обозримом будущем0
KioskNews shows a cleaned-up reading view extracted from the publisher’s page — the original always lives on their site, not ours.