Sztuczna atrakcja. Sztuczna grawitacja w Sci-Fi W poszukiwaniu prawdy

Problemy z układem przedsionkowym to nie jedyna konsekwencja długotrwałego narażenia na mikrograwitację. Astronauci, którzy spędzają na ISS ponad miesiąc, często cierpią na zaburzenia snu, spowolnienie pracy układu krążenia i wzdęcia.

NASA zakończyła niedawno eksperyment, w ramach którego naukowcy badali genom braci bliźniaków: jeden z nich spędził na ISS prawie rok, drugi wykonywał jedynie krótkie loty i większość czasu spędził na Ziemi. Długoterminowy pobyt w kosmosie doprowadził do tego, że 7% DNA pierwszego astronauty zmieniło się na zawsze – mówimy o genach związanych z układem odpornościowym, tworzeniem kości, głodem tlenu i nadmiarem dwutlenku węgla w organizmie.

NASA porównała bliźniaczych astronautów, aby zobaczyć, jak zmienia się ludzkie ciało w kosmosie

W warunkach mikrograwitacji człowiek będzie zmuszony pozostać bezczynny: nie mówimy o astronautach przebywających na ISS, ale o lotach w kosmos. Aby dowiedzieć się, jak taki reżim wpłynie na zdrowie astronautów, Europejska Agencja Kosmiczna (ESA) umieściła 14 ochotników w łóżku przechylonym na bok głowy na 21 dni. Eksperyment, w ramach którego zostaną przetestowane najnowsze metody walki z nieważkością – takie jak ulepszone ćwiczenia i schematy odżywiania – planowany jest wspólnie przez NASA i Roscosmos.

Jeśli jednak ludzie zdecydują się wysłać statki na Marsa lub Wenus, potrzebne będą bardziej ekstremalne rozwiązania - sztuczna grawitacja.

Jak grawitacja może istnieć w przestrzeni

Przede wszystkim warto zrozumieć, że grawitacja istnieje wszędzie – w niektórych miejscach jest słabsza, w innych silniejsza. A przestrzeń kosmiczna nie jest wyjątkiem.

ISS i satelity znajdują się stale pod wpływem grawitacji: jeśli obiekt znajduje się na orbicie, to, mówiąc najprościej, spada wokół Ziemi. Podobny efekt wystąpi, jeśli rzucisz piłkę do przodu - zanim uderzy w ziemię, poleci trochę w kierunku rzutu. Jeśli rzucisz piłkę mocniej, poleci ona dalej. Jeśli jesteś Supermanem, a kula jest silnikiem rakietowym, nie spadnie na ziemię, ale będzie latać wokół niej i nadal się obracać, stopniowo wchodząc na orbitę.

Mikrograwitacja zakłada, że ludzie znajdujący się na statku nie znajdują się w powietrzu – spadają ze statku, który z kolei opada wokół Ziemi.

Ponieważ grawitacja to siła przyciągania dwóch mas, chodząc po niej, pozostajemy na powierzchni Ziemi, zamiast unosić się w powietrzu. W tym przypadku cała masa Ziemi przyciąga masę naszych ciał do swojego środka.

Kiedy statki wchodzą na orbitę, unoszą się swobodnie w przestrzeni kosmicznej. Nadal podlegają przyciąganiu grawitacyjnemu Ziemi, ale statek i znajdujące się na nim przedmioty lub pasażerowie podlegają grawitacji w ten sam sposób. Istniejące urządzenia nie są na tyle masywne, aby stworzyć zauważalną atrakcję, dlatego ludzie i znajdujące się w nich przedmioty nie stoją na podłodze, ale „unoszą się” w powietrzu.

Jak stworzyć sztuczną grawitację

Sztuczna grawitacja jako taka nie istnieje, aby ją stworzyć, człowiek musi dowiedzieć się wszystkiego o grawitacji naturalnej. W science fiction istnieje koncepcja symulowania grawitacji: pozwala ona załodze statków kosmicznych chodzić po pokładzie i ustawiać na nim przedmioty.

Teoretycznie istnieją dwa sposoby stworzenia symulowanej grawitacji i żaden z nich nie został jeszcze zastosowany w prawdziwym życiu. Pierwszym z nich jest wykorzystanie siły dośrodkowej do symulacji grawitacji. Statek lub stacja musi mieć konstrukcję przypominającą koło, składającą się z kilku stale obracających się segmentów.

Zgodnie z tą koncepcją, przyspieszenie dośrodkowe urządzenia, spychając moduły w kierunku środka, wytworzy pozory grawitacji lub warunki podobne do tych na Ziemi. Koncepcja ta została zademonstrowana w „2001: Odysei kosmicznej” Stanleya Kubricka i „Interstellar” Christophera Nolana.

Koncepcja urządzenia wytwarzającego przyspieszenie dośrodkowe w celu symulacji grawitacji

Za autora tego projektu uważa się niemieckiego naukowca i inżyniera zajmującego się rakietami Wernhera von Brauna, który kierował pracami nad rakietą Saturn 5, która dostarczyła na Księżyc załogę Apollo 11 i kilka innych pojazdów załogowych.

Jako dyrektor Centrum Lotów Kosmicznych Marshalla w NASA von Braun spopularyzował pomysł rosyjskiego naukowca Konstantina Ciołkowskiego, aby stworzyć toroidalną stację kosmiczną opartą na konstrukcji piasty przypominającej koło rowerowe. Jeśli koło obraca się w przestrzeni, wówczas bezwładność i siła odśrodkowa mogą wytworzyć rodzaj sztucznej grawitacji, która przyciąga obiekty w kierunku zewnętrznego obwodu koła. Dzięki temu ludzie i roboty będą mogły chodzić po podłodze, jak na Ziemi, zamiast unosić się w powietrzu, jak na ISS.

Metoda ta ma jednak istotne wady: im mniejszy statek kosmiczny, tym szybciej musi się obracać – doprowadzi to do pojawienia się tzw. siły Cornolisa, w której punkty położone dalej od centrum będą pod większym wpływem grawitacji niż te bliżej tego. Innymi słowy, grawitacja będzie silniejsza na głowach astronautów niż na nogach, co im się nie spodoba.

Aby uniknąć tego efektu, wielkość statku musi być kilkukrotnie większa niż wielkość boiska do piłki nożnej – wyniesienie takiego urządzenia na orbitę będzie niezwykle kosztowne, biorąc pod uwagę, że koszt kilograma ładunku podczas komercyjnych startów waha się od 1,5 tys. dolarów do 3 tysięcy dolarów.

Inna metoda tworzenia symulacji grawitacji jest bardziej praktyczna, ale także niezwykle kosztowna - mówimy o metodzie przyspieszenia. Jeśli statek najpierw przyspieszy na pewnym odcinku ścieżki, a następnie zawróci i zacznie zwalniać, wówczas pojawi się efekt sztucznej grawitacji.

Aby wdrożyć tę metodę, potrzebne będą ogromne zapasy paliwa – faktem jest, że silniki muszą pracować niemal nieprzerwanie, z wyjątkiem krótkiej przerwy w środku podróży – podczas obrotu statku.

Prawdziwe przykłady

Pomimo wysokich kosztów wystrzelenia statku kosmicznego symulującego grawitację, firmy na całym świecie próbują budować takie statki i stacje.

Pomysł Von Brauna próbuje wdrożyć Fundacja Gateway, fundacja badawcza, która planuje budowę stacji obrotowej na orbicie okołoziemskiej. Zakłada się, że na obwodzie koła zostaną rozmieszczone kapsuły, które publiczne i prywatne firmy z branży lotniczej będą mogły zakupić do celów badawczych. Niektóre kapsuły zostaną sprzedane jako wille najbogatszym mieszkańcom świata, inne zaś będą wykorzystywane jako hotele dla kosmicznych turystów. zaprezentował koncepcję obrotowego statku kosmicznego z nadmuchiwanymi modułami, Nautilus-X, który zmniejszyłby wpływ mikrograwitacji na naukowców na pokładzie.

Zakładano, że projekt będzie kosztował jedynie 3,7 miliarda dolarów – to niewiele jak na takie urządzenia – a jego budowa zajmie 64 miesiące. Jednak Nautilus-X nigdy nie wyszedł poza początkowe rysunki i propozycje.

Wniosek

Na razie najbardziej prawdopodobnym sposobem na uzyskanie symulowanej grawitacji, która zabezpieczy statek przed skutkami przyspieszeń i zapewni stałą grawitację bez konieczności ciągłego używania silników, jest wykrycie cząstki o ujemnej masie. Każda cząstka i antycząstka, jaką kiedykolwiek odkryli naukowcy, ma masę dodatnią. Wiadomo, że masa ujemna i masa grawitacyjna są sobie równe, jednak dotychczas badaczom nie udało się wykazać tej wiedzy w praktyce.

Naukowcy biorący udział w eksperymencie ALPHA w CERN stworzyli już antywodór – stabilną formę neutralnej antymaterii – i pracują nad wyizolowaniem go od wszystkich innych cząstek przy bardzo małych prędkościach. Jeśli naukowcom się to uda, jest prawdopodobne, że w niedalekiej przyszłości sztuczna grawitacja stanie się bardziej realna niż obecnie.

Długoterminowe loty kosmiczne, eksploracja innych planet, o czym pisali wcześniej pisarze science fiction Izaak Asimov, Stanisław Lem, Aleksander Bielajew i inni, dzięki wiedzy staną się całkowicie możliwą rzeczywistością. Odtwarzając bowiem poziom grawitacji Ziemi, będziemy mogli uniknąć negatywnych skutków mikrograwitacji (nieważkości) dla człowieka (zaniki mięśni, zaburzenia czucia, motoryki i układu autonomicznego). Oznacza to, że prawie każdy, kto chce, może polecieć w kosmos, niezależnie od cech fizycznych swojego ciała. Jednocześnie Twój pobyt na pokładzie statku kosmicznego stanie się bardziej komfortowy. Ludzie będą mogli korzystać z istniejących, znanych im urządzeń i udogodnień (np. prysznica, toalety).

Na Ziemi o poziomie grawitacji decyduje przyspieszenie ziemskie, średnio równe 9,81 m/s 2 („przeciążenie” 1 g), natomiast w kosmosie w warunkach nieważkości około 10 -6 g. K.E. Ciołkowski przytaczał analogie między odczuwaniem ciężaru ciała po zanurzeniu w wodzie lub leżeniu w łóżku a stanem nieważkości w przestrzeni.

„Ziemia jest kolebką umysłu, ale w kołysce nie można żyć wiecznie”.
„Świat powinien być jeszcze prostszy.”
Konstanty Ciołkowski

Co ciekawe, dla biologii grawitacyjnej prawdziwym przełomem będzie możliwość tworzenia różnych warunków grawitacyjnych. Będzie można zbadać: jak zmienia się struktura, funkcje na poziomie mikro i makro, wzorce pod wpływem grawitacji o różnej wielkości i kierunkach. Te odkrycia z kolei pomogą opracować całkiem nowy kierunek – terapię grawitacyjną. Rozważana jest możliwość i skuteczność wykorzystania do leczenia zmian grawitacji (zwiększonych w stosunku do ziemskiego). Czujemy wzrost grawitacji, jakby ciało stało się nieco cięższe. Obecnie prowadzone są badania nad zastosowaniem terapii grawitacyjnej w leczeniu nadciśnienia, a także w celu odbudowy tkanki kostnej w złamaniach.

(sztuczna grawitacja) w większości przypadków opierają się na zasadzie równoważności sił bezwładności i grawitacji. Zasada równoważności mówi, że odczuwamy w przybliżeniu takie samo przyspieszenie ruchu, nie rozróżniając przyczyny, która je spowodowała: grawitacji lub sił bezwładności. W pierwszej wersji przyspieszenie następuje na skutek działania pola grawitacyjnego, w drugiej na skutek przyspieszenia ruchu nieinercjalnego układu odniesienia (układu poruszającego się z przyspieszeniem), w którym znajduje się dana osoba. Przykładowo, podobnego działania sił bezwładności doświadcza osoba znajdująca się w windzie (nieinercyjny układ odniesienia) podczas gwałtownego podjazdu (przy przyspieszaniu, uczucie jakby ciało stało się cięższe na kilka sekund) lub podczas hamowania (uczucie, że podłoga oddala się spod stóp). Z punktu widzenia fizyki: gdy winda podnosi się w górę, przyspieszenie ruchu kabiny dodaje się do przyspieszenia swobodnego spadania w układzie nieinercjalnym. Po przywróceniu równomiernego ruchu „przyrost” masy ciała znika, czyli powraca zwykłe uczucie masy ciała.

Dziś, podobnie jak prawie 50 lat temu, do wytworzenia sztucznej grawitacji wykorzystuje się wirówki (przyspieszenie odśrodkowe wykorzystuje się przy obracających się układach kosmicznych). Mówiąc najprościej, podczas obrotu stacji kosmicznej wokół własnej osi nastąpi przyspieszenie odśrodkowe, które „odepchnie” osobę od środka obrotu i w rezultacie astronauta lub inne obiekty będą mogły znaleźć się na „ podłoga". Aby lepiej zrozumieć ten proces i trudności, jakie napotykają naukowcy, spójrzmy na wzór określający siłę odśrodkową podczas obracania wirówki:

F=m*v 2 *r, gdzie m to masa, v to prędkość liniowa, r to odległość od środka obrotu.

Prędkość liniowa jest równa: v=2π*rT, gdzie T jest liczbą obrotów na sekundę, π ≈3,14…

Oznacza to, że im szybciej statek kosmiczny się obraca i im dalej od środka znajduje się astronauta, tym silniejsza będzie wytworzona sztuczna grawitacja.

Po dokładnym przyjrzeniu się figurze możemy zauważyć, że przy małym promieniu siła ciężkości na głowę i nogi danej osoby będzie znacznie inna, co z kolei utrudni poruszanie się.

Kiedy astronauta porusza się w kierunku obrotu, pojawia się siła Coriolisa. W takim przypadku istnieje duże prawdopodobieństwo, że dana osoba będzie stale cierpieć na chorobę lokomocyjną. Można to obejść, jeśli statek obraca się z częstotliwością 2 obrotów na minutę, co wytwarza sztuczną siłę grawitacji o wartości 1 g (jak na Ziemi). Ale promień wyniesie 224 metry (około ¼ kilometra, odległość ta jest podobna do wysokości 95-piętrowego budynku lub długości dwóch dużych sekwoi). Oznacza to, że teoretycznie możliwe jest zbudowanie stacji orbitalnej lub statku kosmicznego tej wielkości. Jednak w praktyce wymaga to znacznych nakładów zasobów, wysiłku i czasu, co w kontekście zbliżających się globalnych kataklizmów (por. raport ) bardziej humanitarnie bezpośrednio kierować do realnej pomocy potrzebującym.

Ze względu na niemożność odtworzenia wymaganego poziomu grawitacji dla człowieka na stacji orbitalnej lub statku kosmicznym naukowcy postanowili zbadać możliwość „obniżenia ustawionej poprzeczki”, czyli wytworzenia siły grawitacji mniejszej niż na Ziemi. Co sugeruje, że przez pół wieku badań nie udało się uzyskać zadowalających wyników. Nie jest to zaskakujące, gdyż w eksperymentach starają się stworzyć warunki, w których siła bezwładności lub inne miałyby efekt podobny do działania grawitacji na Ziemi. Oznacza to, że sztuczna grawitacja w rzeczywistości nie jest grawitacją.

Dziś w nauce istnieją jedynie teorie na temat tego, czym jest grawitacja, z których większość opiera się na teorii względności. Co więcej, żadna z nich nie jest kompletna (nie wyjaśnia przebiegu, wyników jakichkolwiek eksperymentów w żadnych warunkach, a poza tym czasami nie jest zgodna z innymi teoriami fizycznymi potwierdzonymi eksperymentalnie). Nie ma jasnej wiedzy i zrozumienia: czym jest grawitacja, jaki jest związek grawitacji z przestrzenią i czasem, z jakich cząstek się składa i jakie są ich właściwości. Odpowiedzi na te i wiele innych pytań można znaleźć porównując informacje przedstawione w książce „Ezoosmos” A. Novykha z raportem PRIMORDIAL ALLATRA PHYSICS. oferuje zupełnie nowe podejście oparte na podstawowej wiedzy o podstawowych zasadach fizyki cząstki podstawowe, wzorce ich interakcji. Oznacza to, że w oparciu o głębokie zrozumienie istoty procesu grawitacyjnego i w konsekwencji możliwość dokładnych obliczeń pozwalających na odtworzenie dowolnych wartości warunków grawitacyjnych zarówno w kosmosie, jak i na Ziemi (terapia grawitacyjna), przewidywanie wyników wyobrażalne i niepojęte eksperymenty przeprowadzane zarówno przez człowieka, jak i naturę.

PIERWOTNA FIZYKA ALLATRA to znacznie więcej niż tylko fizyka. Otwiera możliwe rozwiązania problemów o dowolnej złożoności. Ale co najważniejsze, dzięki znajomości procesów zachodzących na poziomie cząstek i realnych działań, każdy człowiek może zrozumieć sens swojego życia, zrozumieć, jak działa system i zdobyć praktyczne doświadczenie w kontakcie ze światem duchowym. Aby uświadomić sobie globalność i prymat tego, co duchowe, wydostać się z ram/szablonów ograniczeń świadomości, poza ograniczenia systemu, aby znaleźć Prawdziwą Wolność.

„Jak to mówią, mając w rękach uniwersalne klucze (wiedzę o podstawach cząstek elementarnych), można otworzyć każde drzwi (do mikro- i makroświata).”

„W takich warunkach możliwe jest jakościowo nowe przejście cywilizacji do głównego nurtu duchowego samorozwoju, wiedzy naukowej na dużą skalę o świecie i sobie”.

„Wszystko, co uciska człowieka na tym świecie, począwszy od obsesyjnych myśli, agresywnych emocji, a skończywszy na stereotypowych pragnieniach egoistycznego konsumenta ‒ jest to wynik wyboru danej osoby na korzyść pola septonowego– materialny inteligentny system, który rutynowo wykorzystuje ludzkość. Ale jeśli człowiek podąża za wyborem swojego duchowego początku, wówczas zyskuje nieśmiertelność. I nie ma w tym żadnej religii, jest natomiast wiedza o fizyce, o jej pierwotnych podstawach.”

Elena Fedorowa

B.V. Rauschenbach, towarzysz broni Korolewa, opowiadał, jak wpadł na pomysł wytworzenia sztucznej grawitacji na statku kosmicznym: pod koniec zimy 1963 roku główny projektant, który odśnieżał ścieżkę w pobliżu jego domu na ulicy Ostankińskiej doznał, można powiedzieć, objawienia. Nie czekając na poniedziałek, zadzwonił do mieszkającego w pobliżu Rauschenbacha i wkrótce wspólnie zaczęli „torować drogę” w kosmos na długie loty.
Pomysł, jak to często bywa, okazał się prosty; musi być proste, inaczej w praktyce nic nie wyjdzie.

Aby uzupełnić obraz. Marzec 1966, Amerykanie na Gemini 11:

O 11:29 Gemini 11 odłączył się od Ageny. Teraz zaczyna się zabawa: jak zachowają się dwa obiekty połączone kablem? Conrad początkowo próbował wprowadzić łącznik do stabilizacji grawitacyjnej - tak, aby rakieta wisiała poniżej, statek powyżej, a kabel był napięty.
Nie dało się jednak oddalić na odległość 30 m bez wywołania silnych wibracji. O 11:55 przeszliśmy do drugiej części eksperymentu – „sztucznej grawitacji”. Conrad wprowadził więzadło w rotację; Początkowo kabel ciągnął się po zakrzywionej linii, ale po 20 minutach wyprostował się i obrót stał się w miarę prawidłowy. Conrad zwiększył prędkość do 38°/min, a po obiedzie do 55°/min, tworząc ciężar 0,00078 g. Nie można było tego wyczuć „w dotyku”, ale rzeczy powoli osiadły na dnie kapsuły. O 14:42, po trzech godzinach obrotu, sworzeń został wystrzelony, a Gemini odsunęło się od rakiety.

Nawet osoba, która nie interesuje się kosmosem, choć raz widziała film o podróżach kosmicznych lub czytała o takich rzeczach w książkach. Prawie we wszystkich tego typu pracach ludzie chodzą po statku, śpią normalnie i nie mają problemów z jedzeniem. Oznacza to, że te – fikcyjne – statki mają sztuczną grawitację. Większość widzów postrzega to jako coś zupełnie naturalnego, jednak wcale tak nie jest.

Sztuczna grawitacja

Jest to nazwa zmiany (w dowolnym kierunku) znanej nam grawitacji poprzez zastosowanie różnych metod. I dzieje się tak nie tylko w dziełach science fiction, ale także w bardzo realnych, ziemskich sytuacjach, najczęściej w celach eksperymentalnych.

Teoretycznie stworzenie sztucznej grawitacji nie wygląda na takie trudne. Na przykład można ją odtworzyć za pomocą bezwładności, a dokładniej potrzeba tej siły nie pojawiła się wczoraj - stało się to natychmiast, gdy tylko ktoś zaczął marzyć o długotrwałych lotach kosmicznych. Stworzenie sztucznej grawitacji w kosmosie pozwoli uniknąć wielu problemów, które pojawiają się podczas długich okresów stanu nieważkości. Mięśnie astronautów słabną, a kości stają się słabsze. Wielomiesięczne podróżowanie w takich warunkach może spowodować zanik niektórych mięśni.

Dlatego dzisiaj wytworzenie sztucznej grawitacji jest zadaniem najwyższej wagi, bez tej umiejętności jest to po prostu niemożliwe.

Materiał

Nawet ci, którzy fizykę znają jedynie na poziomie programu szkolnego, rozumieją, że grawitacja jest jednym z podstawowych praw naszego świata: wszystkie ciała oddziałują ze sobą, doświadczając wzajemnego przyciągania/odpychania. Im większe ciało, tym większa jest jego siła grawitacji.

Ziemia dla naszej rzeczywistości jest obiektem bardzo masywnym. Dlatego przyciągają ją wszystkie ciała wokół niej, bez wyjątku.

Dla nas oznacza to, zwykle mierzoną w g, równą 9,8 metra na sekundę kwadratową. Oznacza to, że gdybyśmy nie mieli podparcia pod stopami, spadalibyśmy z prędkością, która co sekundę wzrasta o 9,8 metra.

Zatem tylko dzięki grawitacji jesteśmy w stanie stać, upadać, normalnie jeść i pić, rozumieć, gdzie jest góra, a gdzie dół. Jeśli grawitacja zniknie, znajdziemy się w stanie nieważkości.

Kosmonauci, którzy znajdują się w przestrzeni kosmicznej w stanie wznoszenia się – swobodnego spadania – są szczególnie zaznajomieni z tym zjawiskiem.

Teoretycznie naukowcy wiedzą, jak stworzyć sztuczną grawitację. Istnieje kilka metod.

Duża masa

Najbardziej logiczną opcją jest uczynienie go tak dużym, aby pojawiła się na nim sztuczna grawitacja. Będziesz mógł czuć się komfortowo na statku, ponieważ orientacja w przestrzeni nie zostanie utracona.

Niestety metoda ta jest nierealistyczna przy rozwoju nowoczesnych technologii. Zbudowanie takiego obiektu wymaga zbyt wielu zasobów. Ponadto podniesienie go wymagałoby niesamowitej ilości energii.

Przyśpieszenie

Wydawać by się mogło, że chcąc uzyskać g równe g na Ziemi, wystarczy nadać statkowi płaski (platformowy) kształt i sprawić, by poruszał się prostopadle do płaszczyzny z wymaganym przyspieszeniem. W ten sposób uzyskana zostanie sztuczna grawitacja, i to idealna.

Jednak w rzeczywistości wszystko jest znacznie bardziej skomplikowane.

Przede wszystkim warto rozważyć kwestię paliwa. Aby stacja stale przyspieszała, konieczne jest posiadanie zasilania awaryjnego. Nawet jeśli nagle pojawi się silnik, który nie wyrzuca materii, prawo zachowania energii pozostanie w mocy.

Drugim problemem jest sama idea stałego przyspieszania. Zgodnie z naszą wiedzą i prawami fizycznymi, nie da się przyspieszać w nieskończoność.

Ponadto taki pojazd nie nadaje się do misji badawczych, ponieważ musi stale przyspieszać - latać. Nie będzie mógł się zatrzymać, żeby zbadać planetę, nie będzie nawet w stanie powoli wokół niej latać - musi przyspieszyć.

Staje się zatem jasne, że taka sztuczna grawitacja nie jest jeszcze dla nas dostępna.

Karuzela

Każdy wie, jak obrót karuzeli wpływa na organizm. Dlatego najbardziej realistyczne wydaje się urządzenie sztucznej grawitacji oparte na tej zasadzie.

Wszystko, co znajduje się w średnicy karuzeli, ma tendencję do wypadania z niej z prędkością w przybliżeniu równą prędkości obrotowej. Okazuje się, że na ciała działa siła skierowana wzdłuż promienia obracającego się obiektu. Jest to bardzo podobne do grawitacji.

Wymagany jest więc statek o cylindrycznym kształcie. Jednocześnie musi obracać się wokół własnej osi. Nawiasem mówiąc, sztuczna grawitacja na statku kosmicznym stworzona zgodnie z tą zasadą jest często pokazywana w filmach science fiction.

Statek w kształcie beczki, obracający się wokół swojej osi podłużnej, wytwarza siłę odśrodkową, której kierunek odpowiada promieniowi obiektu. Aby obliczyć powstałe przyspieszenie, należy podzielić siłę przez masę.

W tym wzorze wynikiem obliczeń jest przyspieszenie, pierwszą zmienną jest prędkość węzłowa (mierzona w radianach na sekundę), drugą jest promień.

Zgodnie z tym, aby uzyskać g, do którego jesteśmy przyzwyczajeni, konieczne jest prawidłowe połączenie promienia transportu kosmicznego.

Podobny problem uwydatniają filmy takie jak Intersolah, Babylon 5, 2001: A Space Odyssey i tym podobne. We wszystkich tych przypadkach sztuczna grawitacja jest zbliżona do przyspieszenia Ziemi spowodowanego grawitacją.

Niezależnie od tego, jak dobry jest pomysł, jego wdrożenie jest dość trudne.

Problemy z metodą karuzelową

Najbardziej oczywisty problem uwydatniono w Odysei kosmicznej. Promień „nośnika kosmicznego” wynosi około 8 metrów. Aby uzyskać przyspieszenie 9,8, obrót musi odbywać się z prędkością około 10,5 obrotu na minutę.

Przy tych wartościach pojawia się „efekt Coriolisa”, który polega na tym, że w różnych odległościach od podłogi działają różne siły. Zależy to bezpośrednio od prędkości kątowej.

Okazuje się, że w kosmosie powstanie sztuczna grawitacja, ale zbyt szybkie obracanie ciała doprowadzi do problemów z uchem wewnętrznym. To z kolei powoduje zaburzenia równowagi, problemy z aparatem przedsionkowym i inne – podobne – trudności.

Pojawienie się tej przeszkody sugeruje, że taki model jest wyjątkowo nieudany.

Można spróbować pójść odwrotnie, tak jak to zrobiono w powieści „Świat Pierścienia”. Tutaj statek jest wykonany w kształcie pierścienia, którego promień jest zbliżony do promienia naszej orbity (około 150 milionów km). Przy tej wielkości jego prędkość obrotowa jest wystarczająca, aby zignorować efekt Coriolisa.

Można założyć, że problem został rozwiązany, ale wcale tak nie jest. Faktem jest, że pełny obrót tej konstrukcji wokół własnej osi zajmuje 9 dni. Sugeruje to, że obciążenia będą zbyt duże. Aby konstrukcja je wytrzymała, potrzebny jest bardzo mocny materiał, którym dziś nie dysponujemy. Ponadto problemem jest ilość materiału i sam proces budowy.

W grach o podobnej tematyce, jak w filmie „Babylon 5”, problemy te zostały w jakiś sposób rozwiązane: prędkość obrotowa jest wystarczająca, efekt Coriolisa nie jest znaczący, hipotetycznie możliwe jest stworzenie takiego statku.

Jednak nawet takie światy mają wadę. Jego nazwa to moment pędu.

Statek obracający się wokół własnej osi zamienia się w ogromny żyroskop. Jak wiadomo, niezwykle trudno jest wymusić odchylenie żyroskopu od jego osi, ponieważ ważne jest, aby jego ilość nie opuściła układu. Oznacza to, że bardzo trudno będzie nadać kierunek temu obiektowi. Jednak ten problem można rozwiązać.

Rozwiązanie

Sztuczna grawitacja na stacji kosmicznej staje się dostępna, gdy na ratunek przybywa Cylinder O'Neilla. Aby stworzyć ten projekt, potrzebne są identyczne cylindryczne statki, które są połączone wzdłuż osi. Powinny obracać się w różnych kierunkach. Rezultatem takiego montażu jest zerowy moment pędu, więc nadanie statkowi wymaganego kierunku nie powinno stanowić trudności.

Jeśli możliwe jest wykonanie statku o promieniu około 500 metrów, to będzie on działał dokładnie tak, jak powinien. Jednocześnie sztuczna grawitacja w kosmosie będzie całkiem wygodna i odpowiednia do długich lotów na statkach lub stacjach badawczych.

Inżynierowie kosmiczni

Twórcy gry wiedzą, jak stworzyć sztuczną grawitację. Jednak w tym fantastycznym świecie grawitacja nie jest wzajemnym przyciąganiem ciał, ale siłą liniową, której zadaniem jest przyspieszanie obiektów w danym kierunku. Przyciąganie tutaj nie jest absolutne; zmienia się, gdy źródło zostaje przekierowane.

Sztuczna grawitacja na stacji kosmicznej tworzona jest za pomocą specjalnego generatora. Jest ona jednolita i jednokierunkowa w zakresie generatora. Zatem w prawdziwym świecie, jeśli znajdziesz się pod statkiem z zainstalowanym generatorem, zostaniesz wciągnięty w stronę kadłuba. Jednak w grze bohater upadnie, dopóki nie opuści obwodu urządzenia.

Dziś sztuczna grawitacja w kosmosie tworzona przez takie urządzenie jest niedostępna dla ludzkości. Jednak nawet siwowłosi programiści nie przestają o tym marzyć.

Generator sferyczny

Jest to bardziej realistyczna opcja wyposażenia. Po zainstalowaniu grawitacja skierowana jest w stronę generatora. Umożliwia to stworzenie stacji, której grawitacja będzie równa grawitacji planetarnej.

Odwirować

Obecnie sztuczną grawitację na Ziemi można znaleźć w różnych urządzeniach. Opierają się one w dużej mierze na bezwładności, gdyż siłę tę odczuwamy podobnie jak oddziaływanie grawitacyjne – ciało nie rozróżnia, jaka przyczyna powoduje przyspieszenie. Przykładowo: osoba jadąca windą doświadcza wpływu bezwładności. Oczami fizyka: wzniesienie się windy dodaje przyspieszenie kabiny do przyspieszenia swobodnego spadania. Kiedy kabina powraca do odmierzonego ruchu, „przyrost” masy znika, przywracając zwykłe odczucia.

Naukowcy od dawna interesują się sztuczną grawitacją. Do tych celów najczęściej używa się wirówki. Metoda ta nadaje się nie tylko do statków kosmicznych, ale także do stacji naziemnych, gdzie konieczne jest badanie wpływu grawitacji na organizm ludzki.

Studiuj na Ziemi, aplikuj w...

Chociaż badanie grawitacji rozpoczęło się w kosmosie, jest to nauka bardzo ziemska. Już dziś postępy w tej dziedzinie znalazły zastosowanie m.in. w medycynie. Wiedząc, czy możliwe jest wytworzenie sztucznej grawitacji na planecie, można ją zastosować w leczeniu problemów z układem mięśniowo-szkieletowym lub układem nerwowym. Co więcej, badania tej siły prowadzone są głównie na Ziemi. Dzięki temu astronauci mogą przeprowadzać eksperymenty, pozostając pod ścisłą opieką lekarzy. Sztuczna grawitacja w kosmosie to inna sprawa, nie ma tam ludzi, którzy mogliby pomóc astronautom w przypadku nieprzewidzianej sytuacji.

Mając na uwadze całkowitą nieważkość, nie można brać pod uwagę satelity znajdującego się na niskiej orbicie okołoziemskiej. Obiekty te, choć w niewielkim stopniu, podlegają działaniu grawitacji. Siła grawitacji powstająca w takich przypadkach nazywana jest mikrograwitacją. Prawdziwej grawitacji doświadcza się jedynie w pojeździe lecącym w przestrzeni kosmicznej ze stałą prędkością. Jednak organizm ludzki nie odczuwa tej różnicy.

Nieważkości możesz doświadczyć podczas skoku w dal (zanim otworzy się czasza) lub podczas parabolicznego opadania samolotu. Takie eksperymenty często przeprowadza się w USA, ale w samolocie to uczucie trwa tylko 40 sekund – to zbyt krótko, aby przeprowadzić pełne badania.

W ZSRR już w 1973 roku wiedzieli, czy można wytworzyć sztuczną grawitację. I nie tylko go stworzyli, ale także w jakiś sposób zmienili. Uderzającym przykładem sztucznego zmniejszenia grawitacji jest zanurzenie na sucho, zanurzenie. Aby uzyskać pożądany efekt, należy nałożyć grubą warstwę na powierzchnię wody. Na nim umieszcza się osobę. Pod ciężarem ciała ciało tonie pod wodą, pozostawiając jedynie głowę na górze. Model ten przedstawia wolne od podpór środowisko o niskiej grawitacji, które charakteryzuje ocean.

Nie trzeba lecieć w kosmos, aby doświadczyć przeciwnej siły nieważkości – hipergrawitacji. Kiedy statek kosmiczny startuje i ląduje w wirówce, przeciążenie można nie tylko poczuć, ale także zbadać.

Leczenie grawitacyjne

Fizyka grawitacyjna bada również wpływ nieważkości na organizm ludzki, próbując zminimalizować konsekwencje. Jednak duża liczba osiągnięć tej nauki może być przydatna także zwykłym mieszkańcom planety.

Lekarze pokładają ogromne nadzieje w badaniach nad zachowaniem enzymów mięśniowych w miopatii. Jest to poważna choroba prowadząca do przedwczesnej śmierci.

Podczas aktywnego wysiłku fizycznego duża ilość enzymu fosfokinazy kreatynowej przedostaje się do krwi zdrowej osoby. Przyczyna tego zjawiska nie jest jasna, być może obciążenie działa na błonę komórkową w taki sposób, że staje się ona „dziurawa”. Pacjenci z miopatią uzyskują ten sam efekt bez ćwiczeń. Obserwacje astronautów pokazują, że w stanie nieważkości przepływ aktywnego enzymu do krwi jest znacznie zmniejszony. Odkrycie to sugeruje, że zastosowanie zanurzenia zmniejszy negatywny wpływ czynników prowadzących do miopatii. Obecnie prowadzone są eksperymenty na zwierzętach.

Leczenie niektórych chorób odbywa się już z wykorzystaniem danych uzyskanych z badań grawitacji, w tym sztucznej grawitacji. Na przykład leczenie porażenia mózgowego, udarów i choroby Parkinsona odbywa się za pomocą kombinezonów antystresowych. Badania nad pozytywnym działaniem podpórki, czyli buta pneumatycznego, są już prawie zakończone.

Czy polecimy na Marsa?

Najnowsze osiągnięcia astronautów dają nadzieję na realność projektu. Istnieje doświadczenie w udzielaniu pomocy medycznej osobie podczas długiego pobytu poza Ziemią. Wiele korzyści przyniosły także loty badawcze na Księżyc, którego siła grawitacji jest 6 razy mniejsza od naszej. Teraz astronauci i naukowcy stawiają sobie nowy cel – Mars.

Zanim ustawisz się w kolejce po bilet na Czerwoną Planetę, warto wiedzieć, co czeka ciało już na pierwszym etapie pracy – w drodze. Droga na pustynną planetę zajmie średnio półtora roku – około 500 dni. Po drodze będziesz musiał polegać wyłącznie na własnych siłach, po prostu nie ma gdzie czekać na pomoc.

Wiele czynników osłabi Twoją siłę: stres, promieniowanie, brak pola magnetycznego. Najważniejszym testem dla ciała jest zmiana grawitacji. W trakcie podróży człowiek „zaznajomi się” z kilkoma poziomami grawitacji. Przede wszystkim są to przeciążenia podczas startu. Następnie - nieważkość podczas lotu. Potem - hipograwitacja w miejscu docelowym, ponieważ grawitacja na Marsie jest mniejsza niż 40% ziemskiej.

Jak radzisz sobie z negatywnymi skutkami nieważkości podczas długiego lotu? Mamy nadzieję, że rozwój sztucznej grawitacji pomoże rozwiązać ten problem w najbliższej przyszłości. Eksperymenty na szczurach podróżujących Kosmosem 936 pokazują, że technika ta nie rozwiązuje wszystkich problemów.

Doświadczenie OS pokazało, że zastosowanie kompleksów treningowych, które potrafią określić wymagane obciążenie dla każdego astronauty indywidualnie, może przynieść znacznie większe korzyści dla organizmu.

Na razie uważa się, że na Marsa polecą nie tylko badacze, ale także turyści chcący założyć kolonię na Czerwonej Planecie. Dla nich, przynajmniej po raz pierwszy, odczucia bycia w nieważkości przeważą nad wszystkimi argumentami lekarzy na temat niebezpieczeństw związanych z długotrwałym przebywaniem w takich warunkach. Jednak za kilka tygodni oni również będą potrzebowali pomocy, dlatego tak ważna jest umiejętność znalezienia sposobu na wytworzenie sztucznej grawitacji na statku kosmicznym.

Wyniki

Jakie wnioski można wyciągnąć na temat powstania sztucznej grawitacji w kosmosie?

Spośród wszystkich rozważanych obecnie opcji najbardziej realistyczna wydaje się konstrukcja obrotowa. Jednak przy obecnym rozumieniu praw fizycznych jest to niemożliwe, ponieważ statek nie jest pustym cylindrem. Wewnątrz znajdują się zakładki, które utrudniają realizację pomysłów.

Ponadto promień statku musi być tak duży, aby efekt Coriolisa nie miał znaczącego wpływu.

Do sterowania czymś takim potrzebny będzie wspomniany wyżej cylinder O'Neilla, który da ci możliwość kontrolowania statku. W takim przypadku zwiększają się szanse wykorzystania takiej konstrukcji do lotów międzyplanetarnych przy jednoczesnym zapewnieniu załodze komfortowego poziomu grawitacji.

Zanim ludzkości uda się spełnić swoje marzenia, chciałbym, aby w dziełach science fiction pojawiło się trochę więcej realizmu i jeszcze większa znajomość praw fizyki.

Tekst pracy publikujemy bez obrazów i formuł.
Pełna wersja pracy dostępna jest w zakładce „Pliki Pracy” w formacie PDF

Cele i zadania badania

Celem mojej pracy badawczej jest rozważenie tak podstawowych interakcji, jak grawitacja, jej zjawiska i problem osadnictwa kosmicznego ze sztuczną grawitacją, rozważenie cech wykorzystania różnego rodzaju silników do tworzenia sztucznej grawitacji, rozwinięcie pomysłów na temat życia w kosmosie w warunkach sztucznej grawitacji i rozwiązywania problemów powstałych podczas tworzenia tego projektu, integracja patentów zaawansowanych technologii w celu rozwiązania problemów sztucznej grawitacji.

Znaczenie badań.

Osiedla kosmiczne to rodzaj stacji kosmicznej, w której człowiek może żyć przez dłuższy okres czasu, a nawet całe życie. Aby stworzyć takie osady, należy przemyśleć wszystkie warunki niezbędne do optymalnej aktywności życiowej - system podtrzymywania życia, sztuczną grawitację, ochronę przed wpływami kosmicznymi itp. I choć spełnienie wszystkich warunków jest dość trudne, wielu pisarzy i inżynierów science fiction stworzyło już kilka projektów, które być może w przyszłości stworzą niesamowite osady kosmiczne.

Znaczenie i nowość badań.

Sztuczna grawitacja jest obiecującym obszarem badań, ponieważ zapewni długotrwały pobyt w kosmosie i możliwość długodystansowych lotów kosmicznych. Budowa osad kosmicznych mogłaby zapewnić środki na dalsze badania; Jeśli uruchomimy program turystyki kosmicznej, co będzie bardzo kosztowną przyjemnością, korporacje kosmiczne otrzymają dodatkowy strumień środków, a badania będzie można prowadzić we wszystkich kierunkach, nie ograniczając się możliwościami.

Powaga. Zjawiska grawitacyjne. Powaga.

Grawitacja to jeden z czterech rodzajów podstawowych oddziaływań, czyli innymi słowy – taka siła przyciągająca skierowana w stronę środka masy dowolnego obiektu oraz środka masy skupiska obiektów; im większa masa, tym większa grawitacja. W miarę oddalania się od obiektu siła przyciągania do niego dąży do zera, ale w idealnych warunkach nigdy w ogóle nie zanika. Oznacza to, że jeśli wyobrazimy sobie absolutną próżnię bez ani jednej dodatkowej cząstki jakiegokolwiek pochodzenia, wówczas w tej przestrzeni wszelkie obiekty o nawet nieskończenie małej masie, przy braku jakichkolwiek innych sił zewnętrznych, będą przyciągane do siebie w dowolnym nieskończenie odległym dystans.

Przy małych prędkościach grawitacja jest opisana przez mechanikę Newtona. A przy prędkościach porównywalnych z prędkością światła zjawiska grawitacyjne opisuje SRT

A. Einsteina.

W ramach mechaniki Newtona grawitację opisuje prawo powszechnego ciążenia, które stanowi, że dwa ciała punktowe (lub kuliste) przyciągają się do siebie z siłą wprost proporcjonalną do iloczynu mas tych ciał, odwrotnie proporcjonalną do kwadratu odległości między nimi i działającej wzdłuż linii prostej łączącej te ciała.

W przybliżeniu dużych prędkości grawitację wyjaśnia szczególna teoria względności, która ma dwa postulaty:

Zasada względności Einsteina, która stwierdza, że zjawiska naturalne zachodzą jednakowo we wszystkich inercjalnych układach odniesienia.

Zasada stałości prędkości światła, która stwierdza, że prędkość światła w próżni jest stała (jest sprzeczna z prawem dodawania prędkości).

Do opisu grawitacji opracowano specjalne rozwinięcie teorii względności, które pozwala na zakrzywienie czasoprzestrzeni. Jednak dynamika nawet w ramach STR może obejmować oddziaływanie grawitacyjne, o ile potencjał pola grawitacyjnego jest znacznie mniejszy. Należy również zaznaczyć, że STR przestaje działać w skali całego Wszechświata, wymagając zastąpienia go GRT.

Zjawiska grawitacyjne.

Najbardziej uderzającym zjawiskiem grawitacyjnym jest przyciąganie. Istnieje jeszcze jedno zjawisko związane z grawitacją – nieważkość.

Dzięki siłom grawitacyjnym chodzimy po Ziemi, a nasza planeta istnieje, podobnie jak cały Wszechświat. Ale co się stanie, jeśli opuścimy planetę? Doświadczymy jednego z najjaśniejszych zjawisk grawitacyjnych - nieważkości. Nieważkość to stan ciała, w którym nie działają na nie inne siły niż grawitacyjne lub siły te są kompensowane.

Astronauci przebywający na ISS znajdują się w stanie nieważkości, co negatywnie wpływa na ich zdrowie. Podczas przechodzenia ze stanu grawitacji ziemskiej do stanu nieważkości (przede wszystkim, gdy statek kosmiczny wchodzi na orbitę), większość astronautów doświadcza reakcji organizmu zwanej zespołem adaptacji kosmicznej. Kiedy człowiek przebywa w kosmosie przez dłuższy czas (ponad tydzień), brak grawitacji zaczyna powodować pewne negatywne zmiany w organizmie. Pierwszą i najbardziej oczywistą konsekwencją nieważkości jest szybki zanik mięśni: mięśnie są właściwie wyłączone z działalności człowieka, w wyniku czego pogarszają się wszystkie cechy fizyczne ciała. Ponadto konsekwencją gwałtownego spadku aktywności tkanki mięśniowej jest zmniejszenie zużycia tlenu przez organizm, a na skutek powstałego nadmiaru hemoglobiny może nastąpić zmniejszenie aktywności szpiku kostnego, który ją syntetyzuje. Istnieją również podstawy, aby sądzić, że ograniczona ruchliwość zaburza metabolizm fosforu w kościach, co prowadzi do spadku ich wytrzymałości.

Aby pozbyć się negatywnych skutków stanu nieważkości, konieczne jest wytworzenie w przestrzeni sztucznej grawitacji.

Sztuczna grawitacja i osadnictwo kosmiczne. Wczesne badania XX wieku.

Ciołkowski zaproponował teorię osad eterycznych, które były torusem powoli obracającym się wokół własnej osi. Ale w tamtym czasie takie pomysły były utopią, a wszystkie jego projekty pozostawały w szkicach.

Pierwszy opracowany projekt zaproponował austriacki naukowiec Hermann Nordrung w 1928 roku. Była to także stacja w kształcie torusa, zawierająca moduły mieszkalne, agregat prądotwórczy i moduł obserwatorium astronomicznego.

Kolejny projekt zaproponował Wernher von Braun, wiodący specjalista amerykańskiego programu kosmicznego, była to jednocześnie stacja w kształcie torusa, w której ludzie mieli mieszkać i pracować w pomieszczeniach połączonych w jeden duży korytarz. Projekt Wernera był jednym z priorytetów NASA aż do pojawienia się projektu Skylab w latach 60-tych.

Skylab, pierwsza i jedyna amerykańska narodowa stacja orbitalna, przeznaczona była do badań technologicznych, astrofizycznych, medycznych, biologicznych i obserwacji Ziemi. Wystrzelony 14 maja 1973 r., był gospodarzem trzech misji Apollo od maja 1973 r. do lutego 1974 r., został deorbitowany i zawalił się 11 lipca 1979 r.

Co więcej, w 1965 roku Amerykańskie Towarzystwo Kosmiczne zasugerowało, że idealnym kształtem osiedli kosmicznych byłby torus, ponieważ wszystkie moduły są umieszczone razem, siła grawitacji będzie miała maksymalną wartość. Problem sztucznej grawitacji wydawał się w dużej mierze rozwiązany.

Kolejny projekt zaproponował Gerard O'Neill, przewidywał utworzenie kolonii, do którego zaproponowano użycie dwóch gigantycznych cylindrów, zamkniętych w ramie i obracających się w różnych kierunkach. Cylindry te obracają się wokół własnej osi z prędkością około 0,53 obrotu na minutę, dzięki czemu w kolonii powstaje znana człowiekowi siła grawitacji.

W 1975 roku Parker przedstawił projekt utworzenia kolonii o średnicy 100 m i długości 1 km, położonej w odległości około 400 000 km od Ziemi i Księżyca i przeznaczonej dla 10 000 osób. Obracanie się wokół osi podłużnej z prędkością 1 obrotu na 21 sekund spowoduje wytworzenie grawitacji zbliżonej do ziemskiej.

W 1977 roku badacz z NASA Ames Research Center, Richard Johnson i profesor Charles Holbrow z Uniwersytetu Colgate, opublikowali artykuł Space Settlements, w którym omówiono obiecujące badania nad osadami w kształcie torusa.

W 1994 roku pod kierunkiem dr Rodneya Gallowaya, przy udziale naukowców i laborantów z Phillips Laboratory i Sandia Laboratories, a także innych ośrodków badawczych Sił Powietrznych Stanów Zjednoczonych i Centrum Badań Kosmicznych Uniwersytetu Arizony, opublikowano obszerną publikację pt. opracowano podręcznik do projektowania osiedli kosmicznych w kształcie torusa.

Nowoczesne badania.

Jednym z nowoczesnych projektów z zakresu osadnictwa kosmicznego jest Stanford Torus, będący bezpośrednim następcą idei Wernhera von Brauna.

Torus Stanforda został zaproponowany NASA latem 1975 roku przez studentów Uniwersytetu Stanforda w celu opracowania koncepcji projektu przyszłych kolonii kosmicznych. Gerard O'Neill przedstawił później swoją „Wyspę Pierwszą” lub „Kulę Bernala” jako alternatywę dla torusa. „Stanford Torus”, jedynie w bardziej szczegółowej wersji, przedstawiający koncepcję obrotowej stacji kosmicznej w kształcie pierścienia, zaprezentowali Wernher von Braun oraz urodzony w Słowenii austriacki inżynier Hermann Potocnik.

Jest to torus o średnicy około 1,8 km (dla zamieszkania 10 tys. osób, jak opisano w pracy z 1975 r.) i obraca się wokół własnej osi (obroty na minutę), tworząc na pierścieniu sztuczną grawitację 0,9 – 1 g ze względu na siłę odśrodkową.

Światło słoneczne przechodzi przez system luster. Pierścień jest połączony z piastą za pomocą „szprych” - korytarzy przepływu ludzi i towarów na oś i z powrotem. Piasta, oś obrotu stacji, najlepiej nadaje się na stację dokującą do przyjmowania statków kosmicznych, ponieważ sztuczna grawitacja jest tutaj pomijalna: do osi stacji dokowany jest moduł stacjonarny.

Wnętrze torusa nadaje się do zamieszkania, jest wystarczająco duże, aby stworzyć sztuczny ekosystem, środowisko naturalne, a wnętrze przypomina długą, wąską dolinę lodowcową, której końce ostatecznie zakrzywiają się w górę, tworząc okrąg. Ludność żyje tu w warunkach zbliżonych do gęsto zaludnionego przedmieścia, a wewnątrz pierścienia znajdują się gałęzie rolnicze i część mieszkalna. (Aneks 1)

Osadnictwo kosmiczne i sztuczna grawitacja w kulturze. Elizjum

Światy pierścieniowe, takie jak te przedstawione w filmie akcji science fiction Elysium czy w grze wideo Halo, to być może jedne z najciekawszych pomysłów na przyszłe stacje kosmiczne. W Elysium stacja znajduje się blisko Ziemi i, jeśli pominąć jej rozmiar, charakteryzuje się pewnym stopniem realizmu. Jednak największym problemem jest tu jego „otwartość”, która sama w sobie jest czystą fantazją.

„Być może najbardziej kontrowersyjną kwestią związaną ze Stacją Elysium jest jej otwartość na środowisko kosmiczne”.

„Film pokazuje, jak statek kosmiczny po przybyciu z kosmosu po prostu ląduje na trawniku. Nie ma żadnych bramek dokujących ani nic podobnego. Ale taka stacja musi być całkowicie odizolowana od środowiska zewnętrznego. W przeciwnym razie atmosfera tutaj nie potrwa długo. Być może otwarte przestrzenie stacji można by zabezpieczyć jakimś niewidzialnym polem, które pozwoliłoby światłu słonecznemu przedostać się do środka i podtrzymać życie w posadzonych tam roślinach i drzewach. Ale na razie to tylko fantazja. Nie ma takich technologii.”

Sam pomysł stacji w kształcie pierścieni jest cudowny, ale póki co nierealny.

Gwiezdne Wojny

Prawie każdy fan filmów science fiction wie, czym jest Gwiazda Śmierci. To taka duża, szara i okrągła stacja kosmiczna z epickiego filmu Gwiezdne Wojny, która bardzo przypomina Księżyc. To międzygalaktyczny niszczyciel planet, który w zasadzie sam w sobie jest sztuczną planetą wykonaną ze stali i zamieszkaną przez szturmowców.

Czy naprawdę możemy zbudować taką sztuczną planetę i przemierzać na niej połacie galaktyki? W teorii – tak. Już samo to będzie wymagało niesamowitych zasobów ludzkich i finansowych.

Kwestię budowy Gwiazdy Śmierci poruszył nawet amerykański Biały Dom, po tym jak społeczeństwo przesłało do rozpatrzenia odpowiednią petycję. Oficjalna odpowiedź władz była taka, że na samą stal konstrukcyjną potrzeba 852 000 000 000 000 000 dolarów.

Ale nawet gdyby kwestia finansów nie była priorytetem, ludzkość nie posiada technologii umożliwiającej odtworzenie Gwiazdy Śmierci, ponieważ do jej przemieszczenia potrzebna jest ogromna ilość energii.

(Załącznik 2)

Problemy w realizacji projektu osiedli kosmicznych.

Osiedla kosmiczne są obiecującym kierunkiem w przemyśle kosmicznym przyszłości, ale jak zawsze istnieją trudności, które należy pokonać, aby ukończyć to zadanie.

Początkowe koszty kapitału;

Wewnętrzne systemy podtrzymywania życia;

Tworzenie sztucznej grawitacji;

Ochrona przed nieprzyjaznymi warunkami zewnętrznymi:

z promieniowania;

dostarczanie ciepła;

z ciał obcych;

Rozwiązywanie problemów sztucznej grawitacji i osadnictwa kosmicznego.

Początkowe koszty kapitału - problem ten można rozwiązać wspólnie, jeśli ludzie odłożą na bok swoje osobiste ambicje i zaczną pracować dla większego dobra. W końcu przyszłość ludzkości zależy tylko od nas.

Wewnętrzne systemy podtrzymywania życia - już teraz na ISS znajdują się systemy ponownego wykorzystania wody, ale to nie wystarczy; pod warunkiem, że na stacji orbitalnej będzie wystarczająco dużo miejsca, można znaleźć miejsce na szklarnię, w której będą rosły rośliny wydzielające maksimum tlenu ; powstaje także laboratoria hydroponiczne do uprawy GMO, które będą mogły dostarczać żywność całej populacji stacji.

Stworzenie sztucznej grawitacji nie jest tak trudnym zadaniem, jak dostarczenie ogromnej ilości paliwa potrzebnego do obrotu stacji.

1. Istnieje kilka sposobów rozwiązania problemu.
  1. 1. Jeśli chodzi o porównywanie sprawności różnych typów silników, inżynierowie zwykle mówią o konkretnym impulsie. Impuls właściwy definiuje się jako zmianę impulsu na jednostkę masy zużytego paliwa. Zatem im bardziej wydajny silnik, tym mniej paliwa potrzeba do wystrzelenia rakiety w kosmos. Impuls z kolei jest wynikiem działania siły w określonym czasie. Rakiety chemiczne, choć mają bardzo duży ciąg, działają tylko przez kilka minut i dlatego mają bardzo niski impuls właściwy. Silniki jonowe, zdolne do pracy przez wiele lat, mogą mieć wysoki impuls właściwy przy bardzo niskim ciągu.

Zastosuj standardowe podejście i zastosuj silniki odrzutowe do rozwiązania problemu. Obliczenia pokazują, że użycie dowolnego znanego silnika odrzutowego wymagałoby ogromnych ilości paliwa, aby uruchomić stację przez co najmniej rok.

Impuls właściwy I (LPRE) = 4,6

Impuls właściwy I (silnik rakietowy na paliwo stałe) = 2,65

Impuls właściwy I (EP) = 10

Impuls właściwy I (silnik plazmowy) = 290

Jest to zużycie paliwa przez 1 rok, dlatego nierozsądne jest używanie silników odrzutowych.

Rozważmy elementarny przypadek.

Miejmy karuzelę, która jest w bezruchu. Następnie, jeśli ustalimy n liczby elektromagnesów jednobiegunowych wzdłuż krawędzi karuzeli tak, aby siła ich oddziaływania była maksymalna, otrzymamy co następuje: jeśli włączymy elektromagnes nr 1 tak, aby działał na elektromagnes nr 2 z mocą na pierwszego działa siła x razy większa od drugiej, to zgodnie z III zasadą Newtona siła działania elektromagnesu nr 1 na nr 2 od strony nr 2 zostanie skompensowana przez siłę reakcji wspornika karuzeli , co wyprowadzi karuzelę z spoczynku. Teraz wyłącz nr 1, zwiększ siłę nr 2 do nr 1 i włącz nr 3 z siłą równą nr 2 na poprzednim etapie i jeśli będziemy kontynuować tę procedurę, osiągniemy obrót karuzela. Stosując tę metodę do stacji kosmicznej, uzyskamy rozwiązanie problemu sztucznej grawitacji.

(Załącznik 3).

Ochrona przed nieprzyjaznymi warunkami środowiskowymi

posiadacz patentu Aleksiej Gennadievich Rebeko

Wynalazek dotyczy sposobów i środków ochrony załogi i sprzętu przed promieniowaniem jonizującym (naładowanymi cząstkami o wysokiej energii) podczas lotów kosmicznych. Według wynalazku wokół statku kosmicznego wytwarzane jest ochronne statyczne pole elektryczne lub magnetyczne, które jest zlokalizowane w przestrzeni pomiędzy dwiema zamkniętymi, niestykającymi się powierzchniami, zagnieżdżonymi w sobie. Chroniona przestrzeń statku kosmicznego jest ograniczona powierzchnią wewnętrzną, a powierzchnia zewnętrzna izoluje statek kosmiczny i chronioną przestrzeń od plazmy międzyplanetarnej. Kształt powierzchni może być dowolny. Podczas stosowania elektrycznego pola ochronnego na tych powierzchniach powstają ładunki o tej samej wielkości i przeciwnym znaku. W takim kondensatorze pole elektryczne koncentruje się w przestrzeni pomiędzy powierzchniami płytek. W przypadku pola magnetycznego przez powierzchnie przepływają prądy o przeciwnym kierunku, a stosunek natężeń prądów dobiera się tak, aby zminimalizować wartość pola resztkowego na zewnątrz. Pożądany kształt powierzchni w tym przypadku jest toroidalny, aby zapewnić ciągłą ochronę. Pod wpływem siły Lorentza naładowane cząstki będą poruszać się po zakrzywionych trajektoriach lub zamkniętych orbitach pomiędzy powierzchniami. Możliwe jest jednoczesne przyłożenie pola elektrycznego i magnetycznego pomiędzy powierzchniami. W takim przypadku w przestrzeń pomiędzy powierzchniami można umieścić odpowiedni materiał pochłaniający naładowane cząstki: na przykład ciekły wodór, wodę lub polietylen. Wynik techniczny wynalazku ma na celu stworzenie niezawodnej, ciągłej (geometrycznie ciągłej) ochrony przed promieniowaniem kosmicznym, uproszczenie konstrukcji urządzeń ochronnych i zmniejszenie kosztów energii potrzebnej do utrzymania pola ochronnego.

Właściciel patentuOtwarta Spółka Akcyjna „Rocket and Space Corporation „Energia” nazwana na cześć S.P. Korolewa”

Układ regulacji cieplnej statku kosmicznego i stacji orbitalnej, zawierający zamknięte obiegi chłodzenia i ogrzewania połączone poprzez co najmniej jeden pośredni wymiennik ciepła ciecz-ciecz, układy kontrolno-pomiarowe, armaturę zaworowo-rozdzielczą i drenażowo-napełniającą, natomiast obieg grzewczy zawiera stymulator cyrkulacji , gaz-ciecz i wężowe wymienniki ciepła oraz płyty termiczne, a w obiegu chłodzenia co najmniej jeden stymulator cyrkulacji, regulator przepływu cieczy, którego jedno wyjście jest połączone przez pierwszy zawór zwrotny z wlotem mieszalnika przepływu chłodziwa, oraz drugi przez drugi zawór zwrotny do wlotowego wymiennika ciepła radiacyjnego, którego wyjście jest połączone z drugim wejściem mieszacza przepływowego, wyjście mieszacza przepływowego jest połączone rurociągiem łączącym z wnęką odbierającą ciepło półproduktu wymiennik ciepła ciecz-ciecz, którego wyjście podłączone jest do stymulatora cyrkulacji, na rurociągu łączącym zamontowane są czujniki temperatury, połączone elektrycznie poprzez układ sterowania z cieczą regulatora przepływu, znamienny tym, że do układu wprowadzane są dodatkowo dwa elektryczne zespoły pompowe obwód chłodzący, a wejście pierwszego elektrycznego zespołu pompowego jest połączone poprzez filtr z wylotem płynu chłodzącego z wnęki odbierającej ciepło pośredniego wymiennika ciepła ciecz-ciecz, a jego wyjście jest połączone z drugim zaworem zwrotnym i równolegle przez filtr na wejściu drugiego elektrycznego zespołu pompowego, którego wyjście jest połączone z pierwszym zaworem zwrotnym, każdy elektryczny zespół pompowy wyposażony jest w czujnik różnicy ciśnień, a na rurociągu łączącym wyjście zaworu montowany jest dodatkowy czujnik temperatury mieszalnik przepływowy z wnęką odbierającą ciepło wymiennika ciepła ciecz-ciecz, połączony elektrycznie poprzez układ sterowania z pierwszym elektrycznym zespołem pompowym.

Istnieje wiele sposobów ochrony przed ciałami obcymi.

Stosuj silniki niestandardowe, np. akcelerator elektromagnetyczny o zmiennym impulsie właściwym;

Owiń asteroidę w odblaskowy plastikowy żagiel słoneczny przy użyciu folii PET powlekanej aluminium;

„Pomaluj” lub posyp obiekt dwutlenkiem tytanu (biały) lub sadzą (czarny), tak aby wywołać efekt Jarkowskiego i zmienić jego trajektorię;

Planetolog Eugene Shoemaker zaproponował w 1996 roku uwolnić chmurę pary na drodze obiektu delikatnie go spowolnić. Nick Zabo narysował podobną koncepcję w 1990 roku, „aerodynamiczne hamowanie komety”: Kometa lub struktura lodowa celuje w asteroidę, po czym eksplozje nuklearne powodują odparowanie lodu i tworzą tymczasową atmosferę na drodze asteroidy;

Przymocuj ciężki balast do asteroidy, aby zmienić jej trajektorię poprzez przesunięcie środka ciężkości;

Skorzystaj z ablacji laserowej;

Użyj emitera fali uderzeniowej;

Inną metodę „bezdotykową” zaproponowali niedawno naukowcy C. Bombardelli i G. Pelez z Politechniki Madryckiej. Oferuje użyj działa jonowego o małej rozbieżności, wycelowany w asteroidę z pobliskiego statku. Energia kinetyczna przekazywana przez jony docierające do powierzchni asteroidy, podobnie jak w przypadku holownika grawitacyjnego, wytworzy słabą, ale stałą siłę zdolną do odbicia asteroidy i użyty zostanie lżejszy statek.

Detonacja urządzenia nuklearnego nad, na lub pod powierzchnią asteroidy stanowi potencjalną opcję odparcia zagrożenia. Optymalna wysokość wybuchu zależy od składu i wielkości obiektu. W przypadku zagrożenia ze strony sterty gruzu, w celu uniknięcia ich rozproszenia, proponuje się przeprowadzenie implozji radiacyjnej, czyli eksplozji nad powierzchnią. Podczas eksplozji uwolniona energia w postaci neutronów i miękkiego promieniowania rentgenowskiego (które nie przenika przez materię) po dotarciu do powierzchni obiektu zamienia się w ciepło. Ciepło zamienia substancję obiektu w wybuch, który zboczy z trajektorii, zgodnie z trzecią zasadą Newtona, wybuch popłynie w jednym kierunku, a obiekt w przeciwnym.

Katapulta elektromagnetyczna to automatyczny system umieszczony na asteroidzie, który uwalnia substancję, z której się składa, w przestrzeń kosmiczną. W ten sposób powoli się przesuwa i traci masę. Katapulta elektromagnetyczna musi działać jako system o niskim impulsie właściwym: zużywać dużo paliwa, ale mało energii.

Pomysł jest taki, że jeśli użyjesz materiału asteroidowego jako paliwa, ilość paliwa nie będzie tak ważna jak ilość energii, która najprawdopodobniej będzie ograniczona.

Inną możliwą metodą jest umieszczenie na Księżycu katapulty elektromagnetycznej i wycelowanie jej w obiekt bliski Ziemi, aby wykorzystać prędkość orbitalną naturalnego satelity i jego nieograniczone zasoby „pocisków skalnych”.

Wniosek.

Po analizie przedstawionych informacji staje się jasne, że sztuczna grawitacja jest bardzo realnym zjawiskiem, które będzie miało szerokie zastosowanie w przemyśle kosmicznym, gdy tylko pokonamy wszystkie trudności związane z tym projektem.

Osiedla kosmiczne widzę w formie zaproponowanej przez von Brauna: światy w kształcie torusa z optymalnym wykorzystaniem przestrzeni i wykorzystującymi zaawansowane technologie w celu zapewnienia długotrwałej aktywności życiowej, a mianowicie:

Zastosowanie zaawansowanych technologii na potrzeby stacji:

Hydroponika
- Roślin nie trzeba dużo podlewać. Zużywa się znacznie mniej wody niż przy uprawie gruntowej w ogrodzie. Mimo to przy właściwym doborze minerałów i składników rośliny nie wyschną ani nie gniją. Dzieje się tak poprzez uzyskanie wystarczającej ilości tlenu.
  
  Dużą zaletą jest to, że metoda ta pozwala chronić rośliny przed wieloma chorobami i szkodnikami. Same rośliny nie będą wchłaniać szkodliwych substancji z gleby.
  
  Dzięki temu uzyskana zostanie maksymalna produktywność, która w całości pokryje potrzeby mieszkańców stacji.

Regeneracja wody

Kondensacja wilgoci z powietrza.

Oczyszczanie zużytej wody.

Przetwarzanie moczu i odpadów stałych.

Za dostawę energii odpowiadać będzie klaster reaktorów jądrowych, który będzie ekranowany zgodnie z patentem nr. 2406661 przystosowane do wypierania cząstek radioaktywnych poza stację.

Zadanie stworzenia osad kosmicznych jest trudne, ale wykonalne. Mam nadzieję, że w najbliższej przyszłości, w związku z szybkim rozwojem nauki i technologii, zostaną spełnione wszystkie niezbędne przesłanki do powstania i rozwoju osad kosmicznych opartych na sztucznej grawitacji. Mój wkład w tę niezbędną sprawę zostanie doceniony. Przyszłość ludzkości leży w eksploracji kosmosu i przejściu do nowego, bardziej obiecującego, przyjaznego dla środowiska kręgu spirali rozwoju człowieka.

Aplikacje

Dodatek 1. Torus Stanforda

Dodatek 2. Gwiazda Śmierci, Elizjum.

Dodatek 3. Schemat ruchu obrotowego.

Siły wypadkowe w pierwszym przybliżeniu (tylko oddziaływanie magnesów). W rezultacie stacja wykonuje ruch obrotowy. Właśnie tego potrzebujemy.

Bibliografia

ALAKRYŃSKI. Człowiek żyje w kosmosie. Nieważkość: plus czy minus?

Barrer, M. Silniki rakietowe.

Dobrowolski, M. Silniki rakietowe na ciecz. Podstawy projektowania.

Dorofiejew, A. Podstawy teorii termicznych silników rakietowych.

Matwiejew. Mechanika i teoria względności: Podręcznik dla studentów.

Myakishev. Fizyka molekularna i termodynamika.

Myakishev. Fizyka. Mechanika.

Myakishev. Fizyka. Elektrodynamika.

Russella, D. Hydroponika.

Sanko. Słownik astronomiczny.

Siwukhin. Ogólny kurs fizyki.

Feynmana. Feynman wykłada na temat grawitacji.

Ciołkowski. Postępowanie dotyczące technologii rakietowej.

Shileiko. W oceanie energii.

Golubev I.R. i Novikov Yu.V. Środowisko i jego ochrona

Zakhlebny A.N. Czytanie książki o ochronie przyrody

Zverev I. Ochrona przyrody i edukacja ekologiczna uczniów.

Iwanow A.F. Eksperyment fizyczny z zawartością środowiska.

Kiselev S.V. Demonstracja efektu cieplarnianego.

Zasoby internetowe:

https://ru.wikipedia.org/wiki/Strona_domowa

http://www.roscosmos.ru

http://allpatents.ru