Создать искусственную гравитацию в космосе. Зачем космические аппараты вращаются

Концепт станции 1969 года, которая должна была собираться на орбите из отработанных этапов программы «Аполлон». Станция должна была вращаться на своей центральной оси для создания искусственной гравитации

Почему? Потому что если вы хотите отправиться в другую звездную систему, вам нужно будет ускорить ваш корабль, чтобы туда добраться, а затем замедлить его по прибытии. Если вы не сможете оградить себя от этих ускорений, вас ждет катастрофа. Например, чтобы ускориться до полного импульса в «Звездном пути», до нескольких процентов световой скорости, придется испытать ускорение в 4000 g. Это в 100 раз больше ускорения, которое начинает препятствовать кровотоку в теле.

Запуск космического шаттла «Колумбия» в 1992 году показал, что ускорение протекает на протяжении длительного периода. Ускорение космического корабля будет во много раз выше, и человеческое тело не сможет с ним справиться

Если вы не хотите быть невесомым во время длительного путешествия - чтобы не подвергать себя ужасному биологическому износу вроде потери мышечной и костной массы - на тело постоянно должна действовать сила. Для любой другой силы это вполне легко сделать. В электромагнетизме, например, можно было бы разместить экипаж в проводящей кабине, и множество внешних электрических полей просто исчезли бы. Можно было бы расположить две параллельные пластины внутри и получить постоянное электрическое поле, выталкивающее заряды в определенном направлении.

Если бы гравитация работала таким же образом.

Такого понятия, как гравитационный проводник, просто не существует, как и возможности оградить себя от гравитационной силы. Невозможно создать однородное гравитационное поле в области пространства, например, между двумя пластинами. Почему? Потому что в отличие от электрической силы, генерируемой положительными и отрицательными зарядами, существует только один тип гравитационного заряда, и это масса-энергия. Гравитационная сила всегда притягивает, и от нее никуда не скрыться. Вы можете лишь использовать три типа ускорения - гравитационное, линейное и вращательное.

Подавляющее большинство кварков и лептонов во Вселенной состоит из материи, но у каждого из них существуют и античастицы из антиматерии, гравитационные массы которых не определены

Единственный способ, с помощью которого можно было бы создать искусственную гравитацию, которая защитит вас от последствий ускорения вашего корабля и обеспечит вам постоянную тягу «вниз» без ускорения, будет доступен, если вы откроете частицы отрицательной гравитационной массы. Все частицы и античастицы, которые мы нашли до сих пор, обладают положительной массой, но эти массы инерциальны, то есть о них можно судить только при создании или ускорении частицы. Инерционная масса и гравитационная масса одинаковы для всех частиц, которые мы знаем, но мы никогда не проверяли свою идею на антиматерии или античастицах.

В настоящее время проводятся эксперименты именно по этой части. Эксперимент ALPHA в ЦЕРН создал антиводород: стабильную форму нейтральной антиматерии, и работает над изолированием ее от всех других частиц. Если эксперимент будет достаточно чувствительным, мы сможем измерить, как античастица попадает в гравитационное поле. Если падает вниз, как и обычное вещество, то у нее положительная гравитационная масса и ее можно использовать для строительства гравитационного проводника. Если падает в гравитационном поле вверх, это все меняет. Один лишь результат, и искусственная гравитация может внезапно стать возможной.

Возможность получения искусственной гравитации невероятно манит нас, но основана на существовании отрицательной гравитационной массы. может быть такой массой, но мы пока этого не доказали

Если антиматерия имеет отрицательную гравитационную массу, то при создании поля из обычного вещества и потолка из антивещества, мы могли бы создать поле искусственной гравитации, которое всегда тянуло бы вас вниз. Создав гравитационно-проводящую оболочку в виде корпуса нашего космического корабля, мы защитили бы экипаж от сил сверхбыстрого ускорения, которые в противном случае стали бы смертельными. И что самое крутое, люди в космосе не испытывали бы больше негативных физиологических эффектов, которые сегодня преследуют астронавтов. Но пока мы не найдем частицу с отрицательной гравитационной массой, искусственная гравитация будет получаться только за счет ускорения.

Б.В. Раушенбах, соратник Королева, рассказал о том, как у того возникла идея создания искусственной тяжести на космическом корабле: в конце зимы 1963 года главного конструктора, расчищавшего дорожку от снега у своего домика на Останкинской улице, можно сказать, осенило. Не дождавшись понедельника, он позвонил по телефону Раушенбаху, который жил неподалеку, и вскоре они вместе стали «расчищать дорогу» в космос для длительных полетов.
Идея, как чаще всего бывает, оказалась простой; она и должна быть простой, иначе на практике может ничего не получиться.

Для полноты картины. Март 1966, американцы на «Джемини-11»:

В 11:29 «Джемини-11» был отстыкован от «Аджены». Началось самое интересное: как поведут себя два объекта, связанные тросом? Сначала Конрад пытался ввести связку в гравитационную стабилизацию – чтобы ракета висела внизу, корабль вверху и трос был натянут.
Однако отойти на 30 м, не возбудив сильных колебаний, не удалось. В 11:55 перешли ко второй части эксперимента – «искусственная тяжесть». Конрад ввел связку во вращение; трос сначала натянулся по кривой линии, но через 20 мин выпрямился и вращение стало вполне правильным. Конрад довел его скорость до 38 °/мин, а после ужина до 55 °/мин, создав тяжесть на уровне 0,00078g. «На ощупь» это не чувствовалось, но вещи потихоньку осели на дно капсулы. В 14:42 после трех часов вращения штырь был отстрелен, и «Джемини» ушел от ракеты.

Длительные космические полеты, освоение других планет то, о чем ранее писали фантасты Айзек Азимов, Станислав Лем, Александр Беляев и др., станет вполне возможной реальностью благодаря знаниям . Так как при воссоздании земного уровня гравитации мы сможем избежать отрицательных последствий микрогравитации (невесомости) для человека (атрофия мышц, сенсорные, двигательные и вегетативные расстройства). То есть практически любой желающий человек сможет побывать в космосе независимо от физических особенностей тела. При этом пребывание на борту космического корабля станет более комфортным. Люди смогут использовать уже существующие, привычные для них приборы, средства (например, душ, туалет).

На Земле уровень гравитации определяется ускорением силы тяжести в среднем равняется 9,81 м/с 2 («перегрузка» 1 g), в то время как в космосе, в условиях невесомости приблизительно 10 -6 g. К.Э. Циолковский приводил аналогии между ощущением массы тела при погружении в воду или лежа в постели с состоянием невесомости в космосе.

«Земля - это колыбель разума, но нельзя вечно жить в колыбели».
«Мир должен быть еще проще».
Константин Циолковский

Интересно, что для гравитационной биологии - умение создавать различные гравитационные условия будет настоящим прорывом. Станет возможным изучить: как изменяется структура, функции на микро-, макроуровнях, закономерности при гравитационных воздействиях разной величины и направленности. Эти открытия, в свою очередь, помогут развить достаточно новое сейчас направление - гравитационную терапию. Рассматривается возможность и эффективность применения для лечения изменения силы тяжести (повышенная по сравнению с Земной). Повышение силы тяжести мы ощущаем, как будто тело чуть-чуть потяжелело. Сегодня ведутся исследования применения гравитационной терапии при гипертонической болезни, а также для восстановления костных тканей при переломах.

(искусственной гравитации) в большинстве случаев основываются на принципе эквивалентности сил инерции и гравитации. Принцип эквивалентности говорит о том, что мы ощущаем приблизительно одинаково ускорение движения не отличая причину, которая его вызвала: гравитация или же силы инерции. В первом варианте ускорение происходит за счет воздействия гравитационного поля, во втором благодаря ускорению движения неинерциальной системы отсчета (система, которая движется с ускорением), в которой находится человек. Например, подобное воздействие сил инерции испытывает человек в лифте (неинерциальная система отсчета) при резком подъёме вверх (с ускорением, появляется на несколько секунд ощущение как будто тело потяжелело) или торможении (ощущение, что пол уходит из-под ног). С точки зрения физики: при подъёме лифта вверх к ускорению свободного падения в неинерциальной системе приплюсовывается ускорение движения кабины. Когда восстанавливается равномерное движение - исчезает «прибавка» в весе, то есть возвращается привычное ощущение массы тела.

Сегодня, как и почти 50 лет назад, для создания искусственной силы тяжести применяются центрифуги (используется центробежное ускорение при вращении космических систем). Проще говоря во время вращения космической станции вокруг своей оси будет возникать центробежное ускорение, которое будет «выталкивать» человека от центра вращения в сторону и в результате космонавт или другие объекты смогут находится на «полу». Для лучшего понимания этого процесса и с какими трудностями сталкивается ученые давайте посмотрим на формулу по которой определяется центробежная сила при вращении центрифуги:

F=m*v 2 *r, где m ‒ масса, v ‒ линейная скорость, r ‒ расстояние от центра вращения.

Линейная скорость равняется: v=2π*rT , где Т - количество оборотов в секунду, π ≈3,14…

То есть чем быстрее будет вращаться космический корабль, и чем дальше от центра будет находится космонавт, тем сильнее будет созданная искусственная сила тяжести.

Внимательно посмотрев на рисунок можем заметить, что при небольшом радиусе сила тяжести для головы и для ног человека будет значительно отличатся, что в свою очередь затруднит передвижение.

При движении космонавта в направлении вращения возникает сила Кориолиса. При этом велика вероятность того, что человека будет постоянно укачивать. Обойти это возможно при частоте вращения корабля 2 оборота в минуту при этом образуется искусственная сила тяжести 1g (как на Земле). Но при этом радиус будет составлять 224 метра (приблизительно ¼ километра, это расстояние подобно высоте 95-этажного здания или в длину как две большие секвои). То есть теоретически построить орбитальную станцию или космический корабль таких размеров можно. Но практически это требует значительных затрат ресурсов, сил и времени, которые в условиях приближающихся глобальных катаклизмов (см. доклад ) человечней направить на реальную помощь нуждающимся.

В следствие невозможности воссоздать необходимое значение уровня гравитации для человека на орбитальной станции или космическом корабле, учёные решили изучить возможность «снижения поставленной планки», то есть создания силы тяжести меньше земной. Что говорит о том, что за полвека исследований не удалось получить удовлетворяющих результатов. Это неудивительно так как в экспериментах стремятся создать условия, при которых сила инерции или же другие оказывали бы влияние, аналогичное воздействию гравитации на Земле. То есть получается, что искусственная гравитация, по сути, гравитацией не является.

На сегодня в науке существуют лишь теории о том что такое гравитация, большинство из которых основываются на теории относительности. При этом не одна из них не является полной (не объясняет протекание, результаты любых экспериментов в любых условиях, да и ко всему порой не согласовывается с другими физическими теориями подтвержденными экспериментально). Нет четкого знания и понимания: что же такое гравитация, как гравитация связана с пространством и временем, из каких частиц состоит и какие их свойства. Ответы на эти и многие другие вопросы можно найти сопоставив информацию изложенную в книге «Эзоосмос» А.Новых и докладе ИСКОННАЯ ФИЗИКА АЛЛАТРА. предлагает совершенно новый подход, который основывается на базовых знаниях первичных основ физики фундаментальных частиц , закономерностей их взаимодействия. То есть на основе глубокого понимания сути процесса гравитации и как следствие возможности точного расчет для воссоздания любых значений гравитационных условий как в космосе, так и на Земле (гравитационная терапия), прогнозирования результатов мыслимых и немыслимых экспериментов, поставленных как человеком, так и природой.

ИСКОННАЯ ФИЗИКА АЛЛАТРА - это намного больше, чем просто физика. Она открывает возможным решения задач любой сложности. Но главное благодаря знанию процессов происходящих на уровне частиц и реальных действий каждый человек может осознать смысл своей жизни, разобраться как работает система и получить практический опыт соприкосновения с духовным миром. Осознать глобальность и первичность Духовного, выйти из рамочных/шаблонных ограничений сознания, за пределы системы, обрести Настоящую Свободу.

«Как говорится, когда имеешь в руках универсальные ключи (знания об основах элементарных частиц), то можешь открыть любую дверь (микро- и макромира)».

«В таких условиях возможен качественно новый переход цивилизации в русло духовного саморазвития, масштабного научного познания мира и себя».

«Всё что угнетает человека в этом мире, начиная от навязчивых мыслей, агрессивных эмоций и заканчивая шаблонными желаниями эгоиста-потребителя ‒ это результат выбора человека в пользу септонного поля ‒ материальной разумной системы, которая шаблонно эксплуатирует человечество. Но если человек следует выбору своего духовного начала, то он приобретает бессмертие. И в этом нет религии, а есть знание физики, её исконных основ».

Елена Федорова

В космосе, хотя все массы во Вселенной подчиняются силе гравитации, как обычно, не ощущается «верха» и «низа», как на Земле, поскольку космический корабль и всё, что у него на борту, ускоряется гравитацией с одинаковой скоростью.

Если поместить человека в космос, подальше от гравитационных воздействий, испытываемых им на поверхности Земли, он испытает невесомость. Хотя все массы Вселенной продолжат притягивать его, они продолжат притягивать и космический корабль, поэтому человек будет «плавать» внутри. В сериалах и фильмах типа «Звёздный путь», «Звёздные войны», «Боевой крейсер „Галактика“ и множестве других нам всегда показывают, как члены команды стабильно стоят на полу корабля вне зависимости от прочих условий. Это потребовало бы возможности создания искусственной гравитации – но с учётом законов физики в том виде, в котором мы их знаем сегодня, это слишком трудная задача.



Капитан Габриэль Лорка на мостике „Дискавери“ во время симуляции битвы с клингонами. Всю команду притягивает „вниз“ искусственная гравитация – на сегодня технология из области научной фантастики

С гравитацией связан важный урок принципа эквивалентности: равномерно ускоряющаяся система отсчёта неотличима от гравитационного поля. Если вы находитесь в ракете и не можете выглянуть наружу, у вас не будет способа понять, что происходит: вас придавливает „вниз“ сила гравитации или равномерное ускорение ракеты в одном направлении? Эта идея привела к формулированию общей теории относительности, и, спустя более чем сто лет, это самое правильное из известных нам описание гравитации и ускорения.

Идентичное поведение мяча, падающего на пол, в ускоряющейся ракете и на Земле демонстрирует принцип эквивалентности Эйнштейна

Есть ещё один трюк, который мы могли бы использовать: заставить корабль вращаться. Вместо линейного ускорения (разгонной силы ракеты) можно получить центробежное, в котором человек на борту будет чувствовать, как его притягивает корпус корабля. Этим знаменит фильм „2001: космическая одиссея“, и эта сила при достаточно большом корабле была бы неотличима от гравитации.

Но это и всё. Три типа ускорения – гравитационное, линейное и вращательное – единственные в нашем распоряжении силы, оказывающие гравитационное воздействие. И для находящихся на борту космического корабля это большая, большая проблема.

Концепция космической станции 1969 года, которую предполагалось собирать на орбите из использованных ступеней программы „Аполло“. Станция должна была вращаться вокруг центральной оси и порождать искусственную гравитацию.

Почему? Потому, что для путешествия в иную звёздную систему придётся ускорять корабль по пути туда, а по прибытию – замедлять. Если вы не сможете защититься от этих ускорений, вас ждёт фиаско. К примеру, чтобы разогнаться до „импульсной скорости“ „Звёздного пути“, до нескольких процентов от скорости света, пришлось бы выдержать ускорение в 4000 g в течение часа. Это в 100 раз больше ускорения, которое предотвратит ток крови в вашем теле – весьма неприятная ситуация, как ни крути.

Запуск шатла Колумбия в 1992 году показывает, что ускорение ракеты происходит не мгновенно, а длится достаточно долгое время, много минут. У космического корабля ускорение должно было быть гораздо большим, чем может выдержать человеческое тело

Более того, если вы не хотите быть невесомым во время долгого пути, и подвергаться ужасным биологическим эффектам вроде потери костной массы и космической слепоты, необходимо, чтобы на ваше тело действовала постоянная сила. Для других сил, кроме гравитации, это не было бы проблемой. К примеру, для электромагнитного воздействия можно было бы поместить команду в проводящую оболочку и это устраняло бы все внешние электромагнитные поля. А потом внутри можно было бы устроить две параллельные пластины и организовать постоянное электрическое поле, заставлявшее бы заряды двигаться в определённом направлении.

Эх, если бы гравитация работала так же.

Схематическая диаграмма конденсатора, две параллельные проводящие пластины которого имеют одинаковые по величине и разные по знаку заряды, что создаёт между ними электрическое поле

Никаких „гравитационных проводников“ не существует, и от гравитации нельзя защититься. Невозможно создать равномерное гравитационное поле между какими-нибудь пластинами в определённом участке пространства. Причина в том, что в отличие от электричества, создаваемого положительными и отрицательными зарядами, гравитационный „заряд“ бывает одного типа, масса-энергия. Сила гравитации всегда притягивает, и с этим ничего нельзя поделать. Придётся делать всё возможное с тремя доступными типами ускорения – гравитационным, линейным и вращательным.

Подавляющее большинство кварков и лептонов Вселенной состоят из материи, но для каждого из них существуют и частицы антиматерии, гравитационные массы которых не определены

Единственным способом создать искусственную гравитацию, способную защитить вас от эффектов ускорения корабля и придать вам постоянное притяжение „вниз“ без ускорения, было бы открыть новый тип отрицательной гравитационной массы. У всех открытых нами частиц и античастиц масса положительна, но это инерциальные массы, то есть, массы, имеющие отношение к ускорению или созданию частиц (то есть, это m из уравнений F = ma и E = mc 2). Мы показали, что инерциальная и гравитационная массы для всех известных частиц совпадают, но пока не проводили достаточно тщательных проверок для антиматерии и античастиц.

Коллаборация ALPHA ближе других экспериментов подошла к измерению поведения нейтральной антиматерии в гравитационном поле

И в этой области эксперименты идут прямо сейчас! В эксперименте ALPHA на ЦЕРН получили антиводород - стабильную форму нейтральной антиматерии - и сейчас работают над изоляцией её от всех других частиц на низких скоростях. Если он окажется достаточно чувствительным, мы сможем измерить, в какую сторону антиматерия будет двигаться в гравитационном поле. Если она будет падать вниз, как и обычная, тогда её гравитационная масса больше нуля, и её нельзя использовать для создания гравитационного проводника. Но если она будет падать вверх, это изменит всё. Единственный экспериментальный результат внезапно сделает искусственную гравитацию физически возможной.

Возможность получить искусственную гравитацию соблазнительна, но она требует существования отрицательной гравитационной массы. Такой массой может стать антиматерия, но это пока неизвестно.

Если у антиматерии будет отрицательная гравитационная масса, тогда сделав потолок комнаты из антиматерии, а пол из материи, мы сможем создать искусственное гравитационное поле, постоянно притягивающее вас „вниз“. Построив оболочку корабля из гравитационного проводника, мы защитим всех внутри него от сил сверхвысокого ускорения, которое иначе было бы смертельным. И, что самое прекрасное, люди в космосе больше не будут страдать от отрицательных физиологических эффектов, от нарушения вестибулярного аппарата до атрофии сердечной мышцы, досаждающих современным космонавтам. Но пока мы не откроем частицу (или набор частиц) с отрицательной гравитационной массой, искусственную гравитацию можно будет получить только через ускорение.