Hvorfor har vi brug for kunstig tyngdekraft til missioner på lang plads

Forestil dig, at du er inde i et køretøj - eller en anden maskine - der snurrer rundt så hurtigt, at kraften presser din krop mod væggen eller sædet. Når du drejer hurtigere og hurtigere, stiger trykket, der tvinger dig mod væggen (og omvendt falder det, når centrifugeringen bremser). Vægten føles ligesom tyngdekraften, der holder din krop jordet til jorden.

Hvis du er som de fleste mennesker, din mest dramatiske oplevelse med denne type spinningskraft er sandsynligvis fra en forlystelsesparktur - specifikt en klassisk Rotor Ride, der har skabt stor glæde (og ja opkast) siden midten af ​​1800 -tallet.

Men en håndfuld mennesker, herunder astronauter og militære piloter, opleve det samme fænomen i en centrifuge, der er vurderet af mennesker, en maskine, der roterer for at producere disse høje "G -kræfter, "også kaldet acceleration. De oplever denne G-kraft ombord på højtydende fly under sving i høj hastighed, og under opsendelser i rummet, og når rumfartøjer hurtigt bremser, når de kommer ind i Jordens atmosfære igen.

Hvad er kunstig tyngdekraft?

I en virkelig forstand, denne type rotation producerer tyngdekraften - kunstig tyngdekraft for at være præcis. Det giver din krop vægt - vægt, som dine knogler og muskler ikke kan skelne fra den vægt, Jorden, eller en anden planet, giver på grund af dens enorme masse.

Følgelig, i årtier, science fiction -forfattere har forestillet sig roterende rumskibe, der skaber kunstig tyngdekraft for astronauter i de længste faser af rummissioner. Disse faser er, når de ikke er ekstra tunge på grund af, at skibet accelererer for at opbygge hastighed, eller aftager i atmosfæren, men vægtløs på grund af håndværket, negerer virkningerne af tyngdekraften.

To eksempler på en sådan kunstig tyngdekraft i science fiction er 2015 -filmen "The Martian" og 1968 -eposet "2001:A Space Odyssey." "The Martian" har et interplanetarisk håndværk, Hermes, med en stor, hjulformet sektion, der roterer på sin rejse mellem Jorden og Mars. Når kameraet zoomer ind, du bemærker, at "op" for astronauter inde i Hermes altid er mod midten af ​​hjulet, mens "nede, " gulvet, "er fælgen. Rumstation Station V i" 2001:A Space Odyssey "er en roterende station, der genererer kunstig tyngdekraft svarende til månens tyngdekraft.

Bortset fra ren komfort, der er gode grunde til, at vi har brug for kunstig tyngdekraft på rumdrev. For en, i vægtløshed ændrer vores krop sig på måder, der kan være skadelige, når astronauter ankommer til deres destinationer - såsom Mars - eller vender tilbage til Jorden. Knogler mister mineralindhold (de blødgør, bliver sårbar over for brud); muskelatrofi (de krymper og svækkes); væsker skifter mod hovedet og udskilles også fra kroppen, forårsager ændringer i det kardiovaskulære system og lungerne; nervesystemet smides ud af lur; og i de senere år har rummedicinsk forskere fundet, hvad der kan være permanent øjenskade hos nogle astronauter. Tilføj dertil forskning, der tyder på, at tyngdekraften kan være påkrævet for mennesker til at have en normal graviditet i rummet, og det virker næsten som en idé, at ethvert rumfartøj, der transporterer mennesker rundt i solsystemet, enten skulle rotere, eller har en del af skibet, der gør det.

Undersøgelse af kunstig tyngdekraft

Undersøger NASA og andre denne mulighed?

Svaret er ja. Siden 1960’erne har NASA -forskere har overvejet udsigten til kunstig tyngdekraft ved hjælp af rotation. Imidlertid, indsatsen, finansiering og generel entusiasme er vokset og aftaget gennem årtierne. Der var en stigning i forskningen i 1960'erne, da NASA arbejdede på at sende mennesker til månen (budgettet for NASA på det tidspunkt var næsten 5 procent af hele den føderale regering - 10 gange, hvad den er i dag).

Selvom NASA ikke har lagt vægt på forskning om kunstig tyngdekraft i løbet af det sidste halve århundrede, forskere både inden for og uden for rumorganisationen studerer en række situationer. Mus, der snurrede i en lille centrifuge ombord på den internationale rumstation, overlevede uden problemer, og jordbundne mennesker lærer at tilpasse sig i spinderum. Der er en på Ashton Graybiel Spatial Orientation Laboratory ved Brandeis University og DLR Institute of Aerospace Medicine i Köln, Tyskland, er hjemsted for DLR Short-Arm Centrifuge, Modul 1. Det er det eneste af sin slags i verden, der undersøger virkningerne af ændret tyngdekraft, især da det vedrører sundhedsrisici, der opstår i mikrogravitation.

Hvorfor har vi ikke roterende rumskibe?

Men hvis behovet for kunstig tyngdekraft er så klart, hvorfor gider med forskning i rummet, eller på Jorden? Hvorfor går ingeniører bare i gang med at designe spinnende skibe, ligesom Hermes?

Svaret er, at kunstig tyngdekraft kræver en afvejning, fordi al den spinning skaber problemer. Som på Rotor Ride, bevæger dit hoved, mens du snurrer så hurtigt, forårsager kvalme. Spinning påvirker også væsken i dit indre øre og andre kropsdele, som du bevæger dig, mens du er i et roterende miljø.

Og den kvalme, desorientering og bevægelsesproblemer forværres, jo hurtigere du roterer (antallet af omdrejninger pr. minut [RPM'er]). Men mængden af ​​kunstig tyngdekraft, der kan produceres, afhænger både af omdrejningstallene og størrelsen af ​​det, der roterer.

For at opleve en given tyngdekraft-for eksempel halvdelen af ​​den sædvanlige mængde, du føler på Jorden-bestemmer længden af ​​rotationsradius (afstanden fra dig, der står på gulvet til midten af ​​det, der snurrer), hvor hurtigt du skal snurre. Byg et hjulformet fartøj med en radius på 738 fod (225 meter), og du vil producere fuld jordtyngde (kendt som 1G), der roterer med kun 1 omdr./min. Det er langsomt nok til, at forskere er meget sikre på, at ingen ville blive kvalme eller desorienterede.

Bortset fra at gulvet er en smule buet, ting ombord på et sådant håndværk ville føles ret normalt. Men at bygge og flyve sådan en enorm struktur i rummet ville medføre mange tekniske udfordringer.

Det betyder, at NASA og alle andre rumorganisationer eller organisationer, der sandsynligvis vil sende mennesker rundt i solsystemet i fremtiden, må nøjes med en lavere tyngdekraft, en hurtigere rotation (flere o / min) - eller begge dele. Da der ikke er noget laboratorium på månen, hvor tyngdekraften på overfladen er omkring 16 procent af jordens overflade, gør det til et godt sted at undersøge virkningerne af lav tyngdekraft, i modsætning til vægtløshed, der er simpelthen ikke nok data til at vide, hvor meget tyngdekraft mennesker kan have brug for til langsigtede rummissioner eller rumkolonier. Sådanne data er nødvendige, ligesom data om, hvor meget rotation mennesker med rimelighed kan tolerere, og det er begrundelsen for igangværende kunstig tyngdekraftsforskning.

University of Colorado, Boulder studerer måder at designe roterende systemer, der kan passe ind i et rum på en fremtidig rumstation eller månebase. Astronauter kunne kravle ind i disse rum i bare et par timer om dagen for at få deres daglige dosis af tyngdekraften.