Langsigtede rumflyvninger, udforskningen af andre planeter, hvad science fiction-forfatterne Isaac Asimov, Stanislav Lem, Alexander Belyaev og andre tidligere har skrevet om, vil blive en fuldstændig mulig realitet takket være viden. Da vi ved at genskabe jordens gravitationsniveau vil være i stand til at undgå de negative konsekvenser af mikrogravitation (vægtløshed) for mennesker (muskelatrofi, sensoriske, motoriske og autonome lidelser). Det vil sige, at næsten alle, der vil, kan gå til rummet, uanset deres krops fysiske egenskaber. Samtidig bliver dit ophold om bord på rumfartøjet mere behageligt. Folk vil være i stand til at bruge eksisterende enheder og faciliteter, som de kender (f.eks. et brusebad, et toilet).
På Jorden bestemmes tyngdekraftsniveauet af tyngdeaccelerationen, i gennemsnit lig med 9,81 m/s 2 ("overbelastning" 1 g), mens det i rummet, under vægtløshedsforhold, er cirka 10 -6 g. K.E. Tsiolkovsky citerede analogier mellem følelsen af kropsvægt, når den er nedsænket i vand eller liggende i sengen med tilstanden af vægtløshed i rummet.
"Jorden er sindets vugge, men du kan ikke leve evigt i vuggen."
"Verden burde være endnu enklere."
Konstantin Tsiolkovsky
Interessant nok, for gravitationsbiologien, vil evnen til at skabe forskellige gravitationsforhold være et reelt gennembrud. Det vil være muligt at studere: hvordan strukturen, funktionerne på mikro- og makroniveauet ændrer sig, mønstre under gravitationspåvirkninger af forskellige størrelser og retninger. Disse opdagelser vil til gengæld hjælpe med at udvikle en ret ny retning - gravitationsterapi. Muligheden og effektiviteten af at bruge ændringer i tyngdekraften (forøget i forhold til Jordens) til behandling overvejes. Vi mærker en stigning i tyngdekraften, som om kroppen er blevet lidt tungere. I dag forskes der i brugen af tyngdekraftsterapi til hypertension, samt til genopretning af knoglevæv i frakturer.
(kunstig tyngdekraft) er i de fleste tilfælde baseret på princippet om ækvivalens af inerti- og tyngdekræfterne. Ækvivalensprincippet siger, at vi føler omtrent den samme bevægelsesacceleration uden at skelne årsagen, der forårsagede det: tyngdekraften eller inertikræfter. I den første version opstår acceleration på grund af gravitationsfeltets indflydelse, i den anden på grund af accelerationen af bevægelsen af det ikke-inertielle referencesystem (et system, der bevæger sig med acceleration), hvor personen er placeret. For eksempel opleves en lignende effekt af inertikræfter af en person i en elevator (ikke-inertiel referenceramme) under en kraftig stigning op (med acceleration, en følelse som om kroppen er blevet tungere i et par sekunder) eller under bremsning (følelsen af, at gulvet bevæger sig væk under ens fødder). Fra et fysiksynspunkt: når elevatoren stiger opad, føjes accelerationen af kabinens bevægelse til accelerationen af frit fald i et ikke-inertielt system. Når ensartet bevægelse genoprettes, forsvinder "øgningen" i vægt, det vil sige, at den sædvanlige følelse af kropsvægt vender tilbage.
I dag, som for næsten 50 år siden, bruges centrifuger til at skabe kunstig tyngdekraft (centrifugalacceleration bruges ved roterende rumsystemer). Kort sagt, under rumstationens rotation omkring dens akse vil der forekomme centrifugalacceleration, som vil "skubbe" en person væk fra rotationscentret, og som et resultat vil astronauten eller andre objekter være i stand til at være på " etage". For bedre at forstå denne proces og hvilke vanskeligheder videnskabsmænd står over for, lad os se på formlen, der bestemmer centrifugalkraften, når en centrifuge roteres:
F=m*v 2 *r, hvor m er masse, v er lineær hastighed, r er afstand fra rotationscentrum.
Lineær hastighed er lig med: v=2π*rT, hvor T er antallet af omdrejninger pr. sekund, π ≈3,14...
Det vil sige, at jo hurtigere rumfartøjet roterer, og jo længere fra centrum astronauten er, jo stærkere vil den kunstige tyngdekraft være.
Efter omhyggeligt at have set på figuren kan vi bemærke, at med en lille radius vil tyngdekraften for en persons hoved og ben være væsentlig anderledes, hvilket igen vil gøre bevægelse vanskelig.
Når astronauten bevæger sig i rotationsretningen, opstår Coriolis-kraften. I dette tilfælde er der stor sandsynlighed for, at personen konstant får køresyge. Dette kan omgås, hvis skibet roterer med en rotationsfrekvens på 2 omdrejninger i minuttet, hvilket skaber en kunstig tyngdekraft på 1g (som på Jorden). Men radius vil være 224 meter (ca. ¼ kilometer, denne afstand svarer til højden af en 95-etagers bygning eller længden af to store redwood-træer). Det vil sige, at det teoretisk set er muligt at bygge en orbitalstation eller et rumfartøj af denne størrelse. Men i praksis kræver dette betydelige ressourceforbrug, kræfter og tid, hvilket i forbindelse med nærmer sig globale katastrofer (se rapporten
) mere humant direkte til reel hjælp til nødlidende.
På grund af umuligheden af at genskabe det nødvendige tyngdekraftsniveau for en person på en orbitalstation eller et rumfartøj, besluttede forskerne at undersøge muligheden for at "sænke sætbaren", det vil sige at skabe en tyngdekraft, der er mindre end på Jorden. Hvilket tyder på, at over et halvt århundredes forskning ikke har været muligt at opnå tilfredsstillende resultater. Dette er ikke overraskende, da de i eksperimenter stræber efter at skabe betingelser, hvorunder inertikraften eller andre ville have en effekt svarende til virkningen af tyngdekraften på Jorden. Det vil sige, at det viser sig, at kunstig tyngdekraft i virkeligheden ikke er tyngdekraft.
I dag er der i videnskaben kun teorier om, hvad tyngdekraft er, hvoraf de fleste er baseret på relativitetsteorien. Desuden er ikke en af dem komplet (forklarer ikke forløbet, resultaterne af eksperimenter under nogen betingelser, og desuden er det nogle gange ikke i overensstemmelse med andre fysiske teorier bekræftet eksperimentelt). Der er ingen klar viden og forståelse: hvad tyngdekraft er, hvordan tyngdekraft er relateret til rum og tid, hvilke partikler den består af og hvad deres egenskaber er. Svar på disse og mange andre spørgsmål kan findes ved at sammenligne oplysningerne præsenteret i bogen "Ezoosmos" af A. Novykh og rapporten PRIMORDIAL ALLATRA PHYSICS. tilbyder en helt ny tilgang, der er baseret på grundlæggende viden om fysikkens primære principper fundamentale partikler, mønstre for deres interaktion. Det vil sige baseret på en dyb forståelse af essensen af gravitationsprocessen og som følge heraf muligheden for nøjagtige beregninger til at genskabe alle værdier af gravitationsforhold både i rummet og på Jorden (gravitationsterapi), forudsige resultaterne af tænkelige og utænkelige eksperimenter udført af både menneske og natur.
PRIMORDIAL ALLATRA FYSIK er meget mere end blot fysik. Det åbner op for mulige løsninger på problemer af enhver kompleksitet. Men vigtigst af alt, takket være viden om de processer, der forekommer på niveauet af partikler og virkelige handlinger, kan hver person forstå meningen med sit liv, forstå, hvordan systemet fungerer og få praktisk erfaring i kontakt med den åndelige verden. At realisere det Spirituelles globalitet og forrang, at komme ud af bevidsthedens rammer/skabelonbegrænsninger, ud over systemets grænser, for at finde Sand Frihed.
"Som de siger, når du har universelle nøgler i dine hænder (viden om det grundlæggende i elementære partikler), kan du åbne enhver dør (i mikro- og makroverdenen)."
"Under sådanne forhold er en kvalitativ ny overgang af civilisationen til hovedstrømmen af åndelig selvudvikling, storstilet videnskabelig viden om verden og sig selv mulig."
"Alt, der undertrykker en person i denne verden, fra tvangstanker, aggressive følelser og ender med stereotype ønsker fra en egoistisk forbruger ‒ dette er resultatet af en persons valg til fordel for septon-feltet‒ et materielt intelligent system, der rutinemæssigt udnytter menneskeheden. Men hvis en person følger valget om sin åndelige begyndelse, så opnår han udødelighed. Og der er ingen religion i dette, men der er viden om fysik, dens oprindelige grundlag.”
Elena Fedorova
I rummet, selvom al masse i universet er underlagt tyngdekraften, er der som sædvanlig ingen følelse af "op" og "ned" som på Jorden, da rumfartøjet og alt ombord accelereres af tyngdekraften på samme tid sats.
Hvis du placerer en person i rummet, væk fra de gravitationspåvirkninger, der opleves på Jordens overflade, vil han opleve vægtløshed. Selvom alle universets masser vil fortsætte med at tiltrække ham, vil de fortsætte med at tiltrække rumskibet, så personen vil "svæve" indenfor. I tv-serier og film som Star Trek, Star Wars, Battlestar Galactica og mange andre får vi altid vist, hvordan besætningsmedlemmer står stabilt på skibets bund, uanset andre forhold. Dette ville kræve evnen til at skabe kunstig tyngdekraft – men givet fysikkens love, som vi kender dem i dag, er dette en for svær opgave. 
Kaptajn Gabriel Lorca på broen af Discovery under en simuleret kamp med klingonerne. Hele holdet er trukket "ned" af kunstig tyngdekraft - i dag er teknologien ude af science fiction.
En vigtig lektie fra ækvivalensprincippet er forbundet med gravitation: en ensartet accelererende referenceramme kan ikke skelnes fra et gravitationsfelt. Hvis du er i en raket og ikke kan se ud, har du ingen mulighed for at forstå, hvad der foregår: bliver du skubbet "ned" af tyngdekraften eller af rakettens ensartede acceleration i én retning? Denne idé førte til formuleringen af den generelle relativitetsteori, og mere end hundrede år senere er det den bedste beskrivelse af tyngdekraft og acceleration, vi kender.
Den identiske adfærd af en bold, der falder til gulvet i en accelererende raket og på Jorden demonstrerer Einsteins ækvivalensprincip
Der er et andet trick, vi kunne bruge: få skibet til at rotere. I stedet for lineær acceleration (en rakets accelererende kraft) kan man få centrifugalacceleration, hvor personen om bord vil føle, at han bliver trukket af skibets skrog. Filmen 2001: A Space Odyssey er berømt for dette, og denne kraft ville ikke kunne skelnes fra tyngdekraften i et stort nok skib.
Men det er alt. Tre typer acceleration - gravitationel, lineær og rotation - er de eneste kræfter til vores rådighed, som har en gravitationseffekt. Og for dem om bord på rumfartøjet er dette et stort, stort problem.
Et koncept fra 1969 for en rumstation, der skulle samles i kredsløb fra brugte Apollo-stadier. Stationen skulle rotere omkring en central akse og generere kunstig tyngdekraft.
Hvorfor? For for at rejse til et andet stjernesystem, bliver du nødt til at sætte farten op for skibet på vejen dertil, og sætte farten ned ved ankomsten. Hvis du ikke kan forsvare dig mod disse accelerationer, vil du fejle. For for eksempel at accelerere til Star Treks "pulshastighed", nogle få procent af lysets hastighed, skulle man udholde 4.000 g acceleration i en time. Det er 100 gange den acceleration, der ville forhindre blod i at strømme gennem din krop - en temmelig ubehagelig situation, uanset hvordan du ser på det.
Opsendelsen af Columbia-shuttlen i 1992 viser, at raketacceleration ikke sker øjeblikkeligt, men varer ret længe, mange minutter. Rumfartøjet skulle have en acceleration meget større end den menneskelige krop kunne modstå.
Medmindre du ønsker at være vægtløs under en lang rejse og lider af frygtelige biologiske effekter som knogletab og rumblindhed, skal du have en konstant kraft, der virker på din krop. For andre kræfter end tyngdekraften ville dette ikke være et problem. For eksempel, for elektromagnetisk interferens, ville det være muligt at placere kommandoen i en ledende skal, og dette ville eliminere alle eksterne elektromagnetiske felter. Og så indeni ville det være muligt at arrangere to parallelle plader og organisere et konstant elektrisk felt, der ville tvinge ladningerne til at bevæge sig i en bestemt retning.
Åh, hvis bare tyngdekraften virkede på samme måde.
Skematisk diagram af en kondensator, hvor to parallelle ledende plader har ladninger af samme størrelse og modsat fortegn, som skaber et elektrisk felt mellem dem
Der er ingen "gravitationsledere", og der er ingen måde at beskytte dig selv mod tyngdekraften. Det er umuligt at skabe et ensartet gravitationsfelt mellem plader i et bestemt rumområde. Årsagen er, at i modsætning til elektricitet, som er skabt af positive og negative ladninger, kommer gravitations-"ladning" i én type, masse-energi. Tyngdekraften tiltrækker altid, og der kan ikke gøres noget ved det. Du bliver nødt til at gøre dit bedste med de tre tilgængelige typer acceleration - gravitationel, lineær og rotation.
Langt de fleste kvarker og leptoner i universet består af stof, men for hver af dem er der også antistofpartikler, hvis gravitationsmasser ikke er blevet bestemt
Den eneste måde at skabe kunstig tyngdekraft, der kunne beskytte dig mod virkningerne af skibsacceleration og give dig et konstant "nedadgående" træk uden acceleration, ville være at opdage en ny type negativ tyngdekraftsmasse. Alle partikler og antipartikler, vi har opdaget, har positiv masse, men det er inertimasser, det vil sige masser relateret til accelerationen eller skabelsen af partikler (det vil sige, at dette er m'en fra ligningerne F = ma og E = mc 2). Vi har vist, at inertial- og gravitationsmasserne er de samme for alle kendte partikler, men har endnu ikke udført tilstrækkeligt grundige tests for antistof og antipartikler.
ALPHA-samarbejdet er kommet tættere på end andre eksperimenter til at måle neutral antistofs adfærd i et gravitationsfelt
Og eksperimenter er i gang på dette område lige nu! ALPHA-eksperimentet på CERN producerede antibrint, en stabil form for neutralt antistof, og arbejder nu på at isolere det fra alle andre partikler ved lave hastigheder. Hvis det viser sig at være følsomt nok, vil vi være i stand til at måle, hvilken vej antistof vil bevæge sig i et gravitationsfelt. Hvis den falder ned som en normal, så er dens gravitationsmasse større end nul, og den kan ikke bruges til at skabe en gravitationsleder. Men hvis det går op, vil det ændre alt. Et enkelt eksperimentelt resultat vil pludselig gøre kunstig tyngdekraft fysisk mulig.
Muligheden for kunstig gravitation er fristende, men det kræver eksistensen af negativ gravitationsmasse. Antistof kunne blive sådan en masse, men det er stadig ukendt.
Hvis antistof har negativ gravitationsmasse, så ved at lave loftet i rummet af antistof og gulvet af stof, kan vi skabe et kunstigt gravitationsfelt, der konstant trækker dig "ned". Ved at konstruere skallen på skibet ud fra en gravitationsleder vil vi beskytte alle inde i det mod kræfterne fra ultrahøj acceleration, som ellers ville være fatal. Og bedst af alt vil mennesker i rummet ikke længere lide af de negative fysiologiske virkninger, fra vestibulær dysfunktion til hjertemuskelatrofi, som plager moderne astronauter. Men indtil vi opdager en partikel (eller et sæt af partikler) med negativ gravitationsmasse, kan kunstig tyngdekraft kun opnås gennem acceleration.
Problemer med det vestibulære system er ikke den eneste konsekvens af langvarig eksponering for mikrogravitation. Astronauter, der bruger mere end en måned på ISS, lider ofte af søvnforstyrrelser, langsom kardiovaskulær funktion og flatulens.
NASA afsluttede for nylig et eksperiment, hvor videnskabsmænd undersøgte tvillingebrødres genom: Den ene tilbragte næsten et år på ISS, den anden lavede kun korte flyvninger og tilbragte det meste af tiden på Jorden. Langtidsophold i rummet førte til, at 7 % af den første astronauts DNA ændrede sig for altid - vi taler om gener forbundet med immunsystemet, knogledannelse, iltsult og overskydende kuldioxid i kroppen.
NASA sammenlignede tvillingeastronauter for at se, hvordan menneskekroppen ændrer sig i rummet
Under mikrotyngdekraftsforhold vil en person blive tvunget til at forblive inaktiv: vi taler ikke om astronauter, der opholder sig på ISS, men om flyvninger ud i det dybe rum. For at finde ud af, hvordan et sådant regime ville påvirke astronauternes helbred, placerede Den Europæiske Rumorganisation (ESA) 14 frivillige i en seng, der var vippet til siden af hovedet i 21 dage. Eksperimentet, som skal teste de nyeste metoder til at bekæmpe vægtløshed - såsom forbedret trænings- og ernæringsregimer - er planlagt til at blive udført i fællesskab af NASA og Roscosmos.
Men hvis folk beslutter sig for at sende skibe til Mars eller Venus, vil der være behov for mere ekstreme løsninger - kunstig tyngdekraft.
Hvordan tyngdekraften kan eksistere i rummet
Først og fremmest er det værd at forstå, at tyngdekraften findes overalt - nogle steder er den svagere, andre er den stærkere. Og det ydre rum er ingen undtagelse.
ISS og satellitterne er konstant under indflydelse af tyngdekraften: Hvis et objekt er i kredsløb, falder det rundt om Jorden, for at sige det enkelt. En lignende effekt opstår, hvis du kaster en bold fremad – inden den rammer jorden, vil den flyve lidt i kasteretningen. Hvis du kaster bolden hårdere, vil den flyve længere. Hvis du er Superman, og bolden er en raketmotor, vil den ikke falde til jorden, men flyve rundt om den og fortsætte med at rotere og gradvist gå i kredsløb.
Mikrotyngdekraften antager, at personerne inde i skibet ikke er i luften – de falder fra skibet, som igen falder rundt om Jorden.
Fordi tyngdekraften er tiltrækningskraften mellem to masser, bliver vi på Jordens overflade, når vi går på den, i stedet for at flyde ind i himlen. I dette tilfælde tiltrækker hele Jordens masse massen af vores kroppe til dens centrum.
Når skibe går i kredsløb, flyder de frit i det ydre rum. De er stadig underlagt Jordens tyngdekraft, men skibet og genstandene eller passagererne i det er underlagt tyngdekraften på samme måde. Eksisterende enheder er ikke massive nok til at skabe en mærkbar tiltrækning, så mennesker og genstande i dem står ikke på gulvet, men "svæver" i luften.
Hvordan man skaber kunstig tyngdekraft
Kunstig tyngdekraft som sådan eksisterer ikke; for at skabe den skal en person lære alt om naturlig tyngdekraft. I science fiction er der konceptet med at simulere tyngdekraften: det tillader besætningen på rumskibe at gå på dækket og genstande at stå på det.
I teorien er der to måder at skabe simuleret tyngdekraft på, og ingen af dem er endnu blevet brugt i det virkelige liv. Den første er brugen af centripetalkraft til at simulere tyngdekraften. Skibet eller stationen skal være en hjullignende struktur bestående af flere konstant roterende segmenter.
Ifølge dette koncept vil enhedens centripetale acceleration, der skubber modulerne mod midten, skabe en antydning af tyngdekraft eller forhold, der ligner dem på Jorden. Dette koncept blev demonstreret i Stanley Kubricks 2001: A Space Odyssey og Christopher Nolans Interstellar.
Konceptet med en enhed, der skaber centripetalacceleration for at simulere tyngdekraften
Forfatteren til dette projekt anses for at være den tyske raketforsker og ingeniør Wernher von Braun, der ledede udviklingen af Saturn 5-raketten, som leverede Apollo 11-besætningen og flere andre bemandede køretøjer til Månen.
Som direktør for NASAs Marshall Space Flight Center populariserede von Braun den russiske videnskabsmand Konstantin Tsiolkovskys idé om at skabe en toroidformet rumstation baseret på et navdesign, der minder om et cykelhjul. Hvis et hjul roterer i rummet, så kan inerti og centrifugalkraft skabe en slags kunstig tyngdekraft, der trækker genstande mod hjulets ydre omkreds. Dette vil give mennesker og robotter mulighed for at gå på gulvet, som på Jorden, i stedet for at svæve i luften, som på ISS.
Denne metode har dog betydelige ulemper: jo mindre rumfartøjet er, jo hurtigere skal det rotere - dette vil føre til fremkomsten af den såkaldte Cornolis-kraft, hvor punkter, der er placeret længere fra centrum, vil blive påvirket stærkere af tyngdekraften end de tættere på det. Med andre ord vil tyngdekraften være stærkere på astronauternes hoveder end på deres ben, hvilket de ikke vil kunne lide.
For at undgå denne effekt skal skibets størrelse være flere gange større end størrelsen på en fodboldbane - det vil være ekstremt dyrt at sætte en sådan enhed i kredsløb, da prisen på et kilogram last under kommercielle opsendelser varierer fra $1,5 tusinde til $3 tusinde.
En anden metode til at skabe en gravitationssimulering er mere praktisk, men også ekstremt dyr - vi taler om accelerationsmetoden. Hvis skibet først accelererer på et bestemt segment af stien og derefter drejer rundt og begynder at bremse, så vil effekten af kunstig tyngdekraft opstå.
For at implementere denne metode vil der kræves enorme reserver af brændstof - faktum er, at motorerne skal fungere næsten kontinuerligt, med undtagelse af en kort pause midt på rejsen - under skibets sving.
Virkelige eksempler
På trods af de høje omkostninger ved at opsende tyngdekraftsimulerende rumfartøjer, forsøger virksomheder rundt om i verden at bygge sådanne skibe og stationer.
Gateway Foundation, en forskningsfond, der planlægger at bygge en roterende station i kredsløb om jorden, forsøger at implementere Von Brauns koncept. Det antages, at der vil blive placeret kapsler rundt om hjulets omkreds, som kan købes af offentlige og private luftfartsselskaber til forskning. Nogle kapsler vil blive solgt som villaer til verdens rigeste beboere, mens andre vil blive brugt som hoteller for rumturister. afslørede konceptet med et roterende rumfartøj med oppustelige moduler, Nautilus-X, som ville reducere virkningerne af mikrotyngdekraft på forskerne ombord.
Det blev antaget, at projektet kun ville koste 3,7 milliarder dollar - meget lidt for sådanne enheder - og ville tage 64 måneder at bygge. Nautilus-X kom dog aldrig længere end de oprindelige tegninger og forslag.
Konklusion
For nu er den mest sandsynlige måde at opnå en simuleret tyngdekraft, der vil beskytte skibet mod virkningerne af acceleration og give konstant tyngdekraft uden behov for konstant at bruge motorer, at detektere en partikel med negativ masse. Hver partikel og antipartikel, som videnskabsmænd nogensinde har opdaget, har positiv masse. Man ved, at negativ masse og gravitationsmasse er lig med hinanden, men indtil videre har forskere ikke kunnet demonstrere denne viden i praksis.
Forskere ved ALPHA-eksperimentet på CERN har allerede skabt antibrint - en stabil form for neutralt antistof - og arbejder på at isolere det fra alle andre partikler ved meget lave hastigheder. Hvis det lykkes forskerne at gøre dette, er det sandsynligt, at kunstig tyngdekraft i den nærmeste fremtid vil blive mere reel, end den er nu.
Værkets tekst er opslået uden billeder og formler.
Den fulde version af værket er tilgængelig på fanen "Arbejdsfiler" i PDF-format
Mål og formål med undersøgelsen
Formålet med mit forskningsarbejde er at overveje en så fundamental interaktion som tyngdekraften, dens fænomener og problemet med rumbosættelser med kunstig tyngdekraft, at overveje funktionerne ved at bruge forskellige typer motorer til at skabe kunstig tyngdekraft, at udvikle ideer om liv i rummet i forhold til kunstig tyngdekraft og for at løse problemer, der opstår, når oprettelsen af dette projekt, integration af patenter af avancerede teknologier til at løse problemerne med kunstig tyngdekraft.
Forskningens relevans.
Rumbebyggelser er en type rumstation, hvor en person kan leve i en længere periode eller endda et helt liv. For at skabe sådanne bosættelser skal du gennemtænke alle de nødvendige betingelser for optimal livsaktivitet - et livsstøttesystem, kunstig tyngdekraft, beskyttelse mod rumpåvirkninger osv. Og selvom det er ret svært at implementere alle betingelserne, har en række science fiction-forfattere og ingeniører allerede skabt flere projekter, som måske vil skabe fantastiske rumbebyggelser i fremtiden.
Forskningens betydning og nyhed.
Kunstig tyngdekraft er et lovende område for forskning, fordi det vil give længerevarende ophold i rummet og mulighed for langdistance-rumflyvninger. Opførelsen af rumbebyggelser kunne give midler til yderligere udforskning; Hvis vi lancerer et rumturismeprogram, som vil være en meget dyr fornøjelse, vil rumvirksomheder modtage en ekstra strøm af finansiering, og forskning kan udføres i alle retninger uden at være begrænset af muligheder.
Tyngdekraft. Gravitationsfænomener. Tyngdekraft.
Tyngdekraften er en af de fire typer af fundamentale vekselvirkninger, eller med andre ord - sådan en tiltrækningskraft rettet mod ethvert objekts massecentrum og til massecentret af en klynge af objekter; jo større masse, jo højere tyngdekraft. Når du bevæger dig væk fra et objekt, har tiltrækningskraften mod det en tendens til nul, men under ideelle forhold forsvinder den aldrig overhovedet. Det vil sige, at hvis vi forestiller os et absolut vakuum uden en enkelt ekstra partikel af nogen oprindelse, i dette rum vil alle objekter, der har en uendelig lille masse, i fravær af andre ydre kræfter, blive tiltrukket af hinanden i enhver uendelig afstand afstand.
Ved lave hastigheder beskrives tyngdekraften af newtonsk mekanik. Og ved hastigheder, der kan sammenlignes med lysets hastighed, beskrives gravitationsfænomener af SRT
A. Einstein.
Inden for rammerne af den newtonske mekanik er tyngdekraften beskrevet af loven om universel gravitation, som siger, at to punkt (eller sfæriske) legemer tiltrækkes af hinanden med en kraft direkte proportional med produktet af disse legemers masser, omvendt proportional med kvadratet på afstanden mellem dem og virker langs den lige linje, der forbinder disse legemer.
I højhastighedstilnærmelsen forklares tyngdekraften af speciel relativitet, som har to postulater:
Einsteins relativitetsprincip, som siger, at naturfænomener forekommer lige meget i alle inerti-referencerammer.
Princippet om konstant lyshastighed, som siger, at lysets hastighed i et vakuum er konstant (modsiger loven om addition af hastigheder).
For at beskrive tyngdekraften er der udviklet en særlig udvidelse af relativitetsteorien, hvor krumningen af rum-tid er tilladt. Men dynamik selv inden for rammerne af STR kan omfatte gravitationsinteraktion, så længe gravitationsfeltpotentialet er meget mindre. Det skal også bemærkes, at STR ophører med at virke på skalaen af hele universet, hvilket kræver udskiftning med GTR.
Gravitationsfænomener.
Det mest slående gravitationsfænomen anses for at være tiltrækning. Der er også et andet fænomen forbundet med tyngdekraften - vægtløshed.
Takket være gravitationskræfter går vi på jorden, og vores planet eksisterer ligesom hele universet. Men hvad sker der, hvis vi forlader planeten? Vi vil opleve et af de lyseste gravitationsfænomener – vægtløshed. Vægtløshed er en tilstand af et legeme, hvor ingen andre kræfter end gravitationskræfter virker på det, eller disse kræfter kompenseres.
Astronauter, der opholder sig på ISS, er i en tilstand af vægtløshed, hvilket påvirker deres helbred negativt. Når de skifter fra betingelserne for jordens tyngdekraft til forhold med vægtløshed (primært, når et rumfartøj går i kredsløb), oplever de fleste astronauter en organismereaktion kaldet rumtilpasningssyndrom. Når en person opholder sig i rummet i lang tid (mere end en uge), begynder manglen på tyngdekraften at forårsage visse ændringer i kroppen, som er negative. Den første og mest åbenlyse konsekvens af vægtløshed er den hurtige atrofi af muskler: Musklerne er faktisk slukket for menneskelig aktivitet, som følge heraf forringes alle kroppens fysiske egenskaber. Derudover er konsekvensen af et kraftigt fald i muskelvævets aktivitet en reduktion i kroppens iltforbrug, og på grund af det resulterende overskud af hæmoglobin kan aktiviteten af knoglemarven, som syntetiserer det, falde. Der er også grund til at tro, at begrænset mobilitet forstyrrer fosforstofskiftet i knoglerne, hvilket fører til et fald i deres styrke.
For at slippe af med de negative virkninger af vægtløshed er det nødvendigt at skabe kunstig tyngdekraft i rummet.
Kunstig tyngdekraft og rumbosættelser. Tidlig forskning i det 20. århundrede.
Tsiolkovsky foreslog teorien om æteriske bosættelser, som var en torus, der langsomt roterer rundt om sin akse. Men på det tidspunkt var sådanne ideer en utopi, og alle hans projekter forblev i skitser.
Det første udviklede projekt blev foreslået af den østrigske videnskabsmand Hermann Nordrung i 1928. Det var også en torusformet station, inklusive beboelsesmoduler, en strømgenerator og et astronomisk observatoriemodul.
Det næste projekt blev foreslået af Wernher von Braun, en førende specialist i det amerikanske rumprogram; det var også en torusformet station, hvor folk ville bo og arbejde i værelser forbundet til en stor korridor. Werners projekt var en af NASAs prioriteter indtil fremkomsten af Skylab-projektet i 60'erne.
Skylab, den første og eneste amerikanske nationale orbitalstation, var beregnet til teknologisk, astrofysisk, medicinsk og biologisk forskning samt til jordobservation. Lanceret den 14. maj 1973, var vært for tre Apollo-missioner fra maj 1973 til februar 1974, deorbiterede og kollapsede den 11. juli 1979.
Yderligere foreslog American Space Society i 1965, at den ideelle form for rumbosættelser ville være en torus, da alle modulerne er placeret sammen, vil tyngdekraften have en maksimal værdi. Problemet med kunstig tyngdekraft syntes stort set løst.
Det næste projekt blev fremsat af Gerard O'Neill, han forestillede sig skabelsen af kolonier, hvortil det foreslås at bruge to kæmpestore cylindre, indesluttet i en ramme og roterende i forskellige retninger. Disse cylindre roterer omkring deres egen akse med en hastighed på omkring 0,53 omdrejninger i minuttet, på grund af hvilken tyngdekraften, der er kendt for mennesker, skabes i kolonien.
I 1975 fremsatte Parker et projekt for at skabe en koloni med en diameter på 100 m og en længde på 1 km, beliggende i en afstand af omkring 400.000 km fra Jorden og Månen og designet til 10.000 mennesker. Rotation omkring den langsgående akse med en hastighed på 1 omdrejning pr. 21 sekunder vil skabe en tyngdekraft tæt på Jordens.
I 1977 udgav NASA Ames Research Center-forsker Richard Johnson og professor Charles Holbrow fra Colgate University papiret Space Settlements, som så på lovende forskning i torusformede bosættelser.
I 1994, under ledelse af Dr. Rodney Galloway, med deltagelse af forskere og laboratorieforskere ved Phillips Laboratory og Sandia Laboratories, samt andre forskningscentre i United States Air Force og University of Arizona Space Research Center, et omfangsrigt manual blev udarbejdet til design af torusformede rumbebyggelser.
Moderne forskning.
Et af de moderne projekter inden for rumbosættelser er Stanford Torus, som er en direkte efterkommer af Wernher von Brauns ideer.
Stanford Torus blev foreslået til NASA i sommeren 1975 af Stanford University-studerende for at konceptualisere designet af fremtidige rumkolonier. Gerard O'Neill introducerede senere sin "Island One" eller "Bernal Sphere" som et alternativ til torus. "Stanford Torus", kun i en mere detaljeret version, der repræsenterer konceptet med en ringformet roterende rumstation, blev præsenteret af Wernher von Braun, såvel som af den slovensk-fødte østrigske ingeniør Hermann Potocnik.
Det er en torus med en diameter på omkring 1,8 kilometer (til beboelse af 10 tusinde mennesker, som beskrevet i arbejdet i 1975) og roterer omkring sin akse (omdrejninger pr. minut), hvilket skaber en kunstig tyngdekraft på 0,9 - 1 g på ringen på grund af centrifugalstyrke.
Sollys kommer ind gennem et system af spejle. Ringen er forbundet til navet gennem "eger" - korridorer til bevægelse af mennesker og varer til akslen og tilbage. Navet, stationens rotationsakse, er bedst egnet til dockingstationen til modtagelse af rumfartøjer, da kunstig tyngdekraft er ubetydelig her: der er et stationært modul forankret til stationens akse.
Det indre af torusen er beboelig, stor nok til at skabe et kunstigt økosystem, et naturligt miljø, og indeni er det som en lang, smal gletsjerdal, hvis ender til sidst buer opad for at danne en cirkel. Befolkningen lever her under forhold, der ligner en tæt befolket forstad, og inde i ringen er der grene til landbruget og en beboelsesdel. (Bilag 1)
Rumbebyggelser og kunstig tyngdekraft i kultur. Elysium
Ringverdener, som dem der er afbildet i sci-fi actionfilmen Elysium eller videospillet Halo, er måske nogle af de mest interessante ideer til fremtidige rumstationer. I Elysium er stationen tæt på Jorden og har, hvis man ser bort fra dens størrelse, en vis grad af realisme. Det største problem her er dog dens "åbenhed", som alene er ren fantasi.
"Det måske mest kontroversielle spørgsmål om Elysium Station er dens åbenhed over for rummiljøet."
"Filmen viser et rumskib, der lige lander på en græsplæne efter at være ankommet fra det ydre rum. Der er ingen dockingporte eller lignende. Men sådan en station skal være fuldstændig isoleret fra det ydre miljø. Ellers vil stemningen her ikke holde længe. Måske kunne stationens åbne områder beskyttes af en form for usynligt felt, der ville tillade sollys at trænge ind og understøtte livet i de planter og træer, der er plantet der. Men for nu er det bare fantasi. Der er ingen sådanne teknologier."
Selve ideen om en station i form af ringe er vidunderlig, men indtil videre urealiserbar.
Star wars
Næsten alle science fiction-filmfans ved, hvad Dødsstjernen er. Dette er sådan en stor grå og rund rumstation fra Star Wars-filmeposen, som ligner månen meget. Dette er en intergalaktisk planetødelægger, som i bund og grund i sig selv er en kunstig planet lavet af stål og beboet af stormtropper.
Kan vi virkelig bygge sådan en kunstig planet og strejfe rundt i galaksens vidder på den? I teorien - ja. Alene dette vil kræve en utrolig mængde menneskelige og økonomiske ressourcer.
Spørgsmålet om at bygge Dødsstjernen blev endda rejst af det amerikanske Hvide Hus, efter at samfundet sendte en tilsvarende andragende til overvejelse. Det officielle svar fra myndighederne var, at der ville kræves 852.000.000.000.000.000 dollars til konstruktionsstål alene.
Men selvom spørgsmålet om økonomi ikke var en prioritet, så har menneskeheden ikke teknologien til at genskabe Dødsstjernen, da der er brug for en enorm mængde energi for at flytte den.
(Bilag 2)
Problemer med at implementere rumbebyggelsesprojektet.
Rumbebyggelser er en lovende retning i fremtidens rumindustri, men som altid er der vanskeligheder, der skal overvindes for at løse denne opgave.
fra stråling;
tilvejebringelse af varme;
fra fremmede genstande;
Startkapitalomkostninger;
Interne livsstøttesystemer;
Oprettelse af kunstig tyngdekraft;
Beskyttelse mod fjendtlige ydre forhold:
Der er flere måder at løse problemet på.
Når det kommer til at sammenligne effektiviteten af forskellige typer motorer, taler ingeniører normalt om specifik impuls. Specifik impuls er defineret som ændringen i impuls pr. masseenhed forbrugt brændstof. Jo mere effektiv motoren er, jo mindre brændstof kræves der for at sende raketten ud i rummet. Impuls er til gengæld resultatet af en krafts virkning over en vis tid. Kemiske raketter, selv om de har meget høj trækkraft, fungerer kun i et par minutter og har derfor en meget lav specifik impuls. Ionmotorer, der er i stand til at fungere i årevis, kan have høj specifik impuls med meget lavt tryk.
Startkapitalomkostninger - dette problem kan løses i fællesskab, hvis folk lægger deres personlige ambitioner til side og arbejder for det større. Når alt kommer til alt, afhænger menneskehedens fremtid kun af os.
Interne livsstøttesystemer - allerede nu på ISS er der systemer til genbrug af vand, men det er ikke nok; forudsat at der er plads nok på orbitalstationen, kan du finde et sted til et drivhus, hvor planter, der frigiver maksimal ilt, vil vokse Der er også oprettelsen af hydroponiske laboratorier til dyrkning af GMO'er, der vil være i stand til at levere mad til hele befolkningen på stationen.
At skabe kunstig tyngdekraft er ikke så vanskelig en opgave som at levere den enorme mængde brændstof, der er nødvendig for at rotere stationen.
Brug en standardtilgang og anvend jetmotorer til problemet. Beregninger viser, at det ville kræve enorme mængder brændstof at bruge en hvilken som helst kendt jetmotor for at drive stationen i mindst et år.
Specifik impuls I (LPRE) = 4,6
Specifik impuls I (raketmotor med fast drivmiddel) = 2,65
Specifik impuls I (EP) = 10
Specifik impuls I (plasmamotor) = 290
Dette er brændstofforbruget i 1 år, derfor er det uklogt at bruge jetmotorer.
Min idé er dette.
Lad os overveje en elementær sag.
Lad os få en karrusel, der er ubevægelig. Så, hvis vi fikserer n antal unipolære elektromagneter langs kanten af karrusellen, så kraften af deres interaktion er maksimal, får vi følgende: hvis vi tænder for elektromagnet nr. 1, så den virker på elektromagnet nr. 2 med en kraft x gange større end den anden virker på først, så i henhold til Newtons III lov vil virkningskraften af elektromagnet nr. 1 på nr. 2 fra siden af nr. 2 blive kompenseret af reaktionskraften fra karruselstøtten , hvilket vil bringe karrusellen ud af hvile. Sluk nu for nr. 1, hæv styrken af nr. 2 til nr. 1 og tænd for nr. 3 med en kraft svarende til nr. 2 på det foregående trin, og hvis vi fortsætter denne procedure, vil vi opnå rotation af karrusel. Ved at anvende denne metode på rumstationen vil vi få en løsning på problemet med kunstig tyngdekraft.
(Bilag 3).
Beskyttelse mod fjendtlige miljøforhold
Strålebeskyttelsespatent № 2406661
patenthaver Alexey Gennadievich Rebeko
Opfindelsen angår fremgangsmåder og midler til at beskytte besætning og udstyr mod ioniserende stråling (ladede højenergipartikler) under rumflyvninger. Ifølge opfindelsen skabes et beskyttende statisk elektrisk eller magnetisk felt omkring rumfartøjet, som er lokaliseret i rummet mellem to lukkede, ikke-kontaktende overflader, der er indlejret inde i hinanden. Rumfartøjets beskyttede rum er begrænset af den indre overflade, og den ydre overflade isolerer rumfartøjet og det beskyttede rum fra interplanetarisk plasma. Formen af overfladerne kan være vilkårlig. Ved brug af et elektrisk beskyttelsesfelt dannes ladninger af samme størrelse og modsat fortegn på disse overflader. I en sådan kondensator er det elektriske felt koncentreret i rummet mellem pladeoverfladerne. I tilfælde af et magnetfelt føres strømme i den modsatte retning gennem overfladerne, og forholdet mellem strømstyrker vælges således, at værdien af restfeltet udenfor minimeres. Den ønskede form af overfladerne i dette tilfælde er ringformet for at sikre kontinuerlig beskyttelse. Under indflydelse af Lorentz-kraften vil ladede partikler bevæge sig langs afbøjelige buede baner eller lukkede baner mellem overflader. Det er muligt at påføre elektriske og magnetiske felter mellem overflader samtidigt. I dette tilfælde kan et passende materiale anbringes i mellemrummet mellem overfladerne for at absorbere ladede partikler: for eksempel flydende brint, vand eller polyethylen. Det tekniske resultat af opfindelsen er rettet mod at skabe pålidelig, kontinuerlig (geometrisk kontinuerlig) beskyttelse mod kosmisk stråling, forenkle udformningen af beskyttelsesudstyr og reducere energiomkostningerne til at opretholde beskyttelsesfeltet.
Giver varmepatent №2148540
Patentindehaver Open Joint Stock Company "Rocket and Space Corporation "Energia" opkaldt efter S.P. Korolev"
Termisk kontrolsystem for et rumfartøj og en orbitalstation, indeholdende lukkede køle- og varmekredsløb forbundet gennem mindst én mellemliggende væske-væske varmeveksler, kontrol- og målesystemer, ventilfordelings- og drænpåfyldningsfittings, mens varmekredsløbet indeholder en cirkulationsstimulator , gas-væske- og spiralvarmevekslere og termiske plader, og i kølekredsløbet, mindst en cirkulationsstimulator, en væskestrømsregulator, hvoraf den ene udgang er forbundet gennem den første kontraventil til indløbet af kølevæskestrømsblanderen, og den anden gennem den anden kontraventil til indgangsstrålingsvarmeveksleren, hvis udgang er forbundet med den anden indgang på flowmixeren, og flowmixerens udgang er forbundet med en forbindelsesrørledning til mellemrummets varmemodtagende hulrum væske-væske varmeveksler, hvis udgang er forbundet med cirkulationsstimulatoren, temperatursensorer er installeret på tilslutningsrørledningen, elektrisk forbundet via et styresystem til flowregulatorvæsken, kendetegnet ved, at to elektriske pumpeenheder yderligere er indført i kølekredsløb, og indgangen til den første elektriske pumpeenhed er forbundet gennem et filter til kølevæskeudløbet fra varmemodtagende hulrum i den mellemliggende væske-væske varmeveksler, og dens udgang er forbundet til den anden kontraventil og parallelt gennem et filter til indgangen en anden elektrisk pumpeenhed, hvis udgang er forbundet med den første kontraventil, hver elektrisk pumpeenhed er udstyret med en differenstrykføler, og en ekstra temperaturføler er installeret på rørledningen, der forbinder udgangen af flowblander med det varmemodtagende hulrum i væske-væske varmeveksleren, elektrisk forbundet via styresystemet til den første elektriske pumpeenhed.
Beskyttelse mod fremmedlegemer
Der er mange måder at beskytte sig mod fremmedlegemer på.
Brug ikke-standardmotorer, såsom en elektromagnetisk accelerator med variabel specifik impuls;
Pak en asteroide ind i et reflekterende plastiksolsejl ved brug af aluminiumbelagt PET-film;
"Mal" eller drys en genstand med titaniumdioxid (hvid) eller kulsort (sort), så forårsage Yarkovsky-effekten og ændre dens bane;
Planetforskeren Eugene Shoemaker foreslog i 1996 frigive en sky af damp i vejen for et objekt for forsigtigt at bremse den. Nick Zabo tegnede et lignende koncept i 1990, "aerodynamisk bremsning af en komet": En komet eller isstruktur retter sig mod en asteroide, hvorefter atomeksplosioner fordamper isen og danner en midlertidig atmosfære i asteroidens vej;
Fastgør tung ballast til asteroiden for at ændre dens bane ved at flytte tyngdepunktet;
Brug laserablation;
Brug en chokbølgeudsender;
En anden "kontaktløs" metode blev for nylig foreslået af forskerne C. Bombardelli og G. Pelez fra det tekniske universitet i Madrid. Det byder på brug ionkanoner med lav divergens, rettet mod asteroiden fra et nærliggende skib. Den kinetiske energi, der transmitteres gennem ionerne, der når asteroidens overflade, som i tilfældet med en gravitationsslæbebåd, vil skabe en svag, men konstant kraft, der er i stand til at afbøje asteroiden, og et lettere skib vil blive brugt.
Detonation af en nuklear enhed over, på eller under overfladen af en asteroide er en potentiel mulighed for at afvise truslen. Den optimale eksplosionshøjde afhænger af objektets sammensætning og størrelse. I tilfælde af en trussel fra en bunke af affald, for at undgå deres spredning, foreslås det at udføre en strålingsimplosion, det vil sige en eksplosion over overfladen. Under en eksplosion omdannes den frigivne energi i form af neutroner og bløde røntgenstråler (som ikke trænger ind i stoffet) til varme, når den når objektets overflade. Varme forvandler objektets substans til et udbrud, og det vil gå ud af banen, efter Newtons tredje lov, vil udbruddet gå i én retning, og objektet i den modsatte retning.
Elektromagnetisk katapult er et automatisk system placeret på en asteroide, der frigiver det stof, den består af, ud i rummet. Således skifter den langsomt og taber masse. En elektromagnetisk katapult skal fungere som et lavt specifikt impulssystem: bruge meget brændstof, men lidt energi.
Tanken er, at hvis man bruger asteroidemateriale som brændstof, er mængden af brændstof ikke lige så vigtig som mængden af energi, som højst sandsynligt vil være begrænset.
En anden mulig metode er at placere en elektromagnetisk katapult på Månen og rette den mod et objekt nær Jorden for at drage fordel af den naturlige satellits kredsløbshastighed og dens ubegrænsede forsyning af "klippekugler".
Konklusion.
Efter at have analyseret de præsenterede oplysninger, bliver det klart, at kunstig tyngdekraft er et meget reelt fænomen, der vil have bred anvendelse i rumindustrien, så snart vi overvinder alle de vanskeligheder, der er forbundet med dette projekt.
Jeg ser rumbebyggelser i den form, som von Braun foreslår: torusformede verdener med optimal udnyttelse af rummet og ved hjælp af avancerede teknologier til at sikre langsigtet livsaktivitet, nemlig:
Rotationen af stationen vil ske efter det princip, som jeg beskrev i afsnittet At skabe kunstig tyngdekraft. Men på grund af det faktum, at der ud over rotation vil være bevægelse i rummet, er det tilrådeligt at installere korrektionsmotorer på stationen.
Hydroponics
Planter skal ikke vandes meget. Der bruges meget mindre vand, end når man dyrker på jorden i en have. På trods af dette, med det korrekte udvalg af mineraler og komponenter, vil planterne ikke tørre ud eller rådne. Dette sker ved at få nok ilt.
Den store fordel er, at denne metode giver dig mulighed for at beskytte planter mod mange sygdomme og skadedyr. Planterne vil ikke selv optage skadelige stoffer fra jorden.
Følgelig vil der være maksimal produktivitet, som helt vil dække behovene hos stationens indbyggere.
Kondensering af fugt fra luften.
Rensning af brugt vand.
Behandling af urin og fast affald.
Brug af avancerede teknologier til at imødekomme stationens behov:
Vandregenerering
En klynge af atomreaktorer skal stå for energiforsyningen, som vil være afskærmet i henhold til patent nr. 2406661 tilpasset til at fortrænge radioaktive partikler uden for stationen.
Opgaven med at skabe rumbebyggelser er svær, men gennemførlig. Jeg håber, at i den nærmeste fremtid, på grund af den hurtige udvikling af videnskab og teknologi, vil alle de nødvendige forudsætninger for skabelse og udvikling af rumbosættelser baseret på kunstig tyngdekraft blive opfyldt. Mit bidrag til denne nødvendige sag vil blive værdsat. Menneskehedens fremtid ligger i udforskning af rummet og overgangen til en ny, mere lovende, miljøvenlig runde af menneskelig udviklingsspiral.
Ansøgninger
Bilag 1. Stanford torus
Bilag 2. Dødsstjerne, Elysium.
Bilag 3. Skema for rotationsbevægelse.
Resulterende kræfter i en første tilnærmelse (kun interaktion af magneter). Som et resultat udfører stationen en rotationsbevægelse. Det er det, vi har brug for.
Bibliografi
ALYAKRINSKY. Mennesket lever i rummet. Vægtløshed: plus eller minus?
Barrer, M. Raketmotorer.
Dobrovolsky, M. Flydende raketmotorer. Grundlæggende om design.
Dorofeev, A. Grundlæggende om teorien om termiske raketmotorer.
Matveev. Mekanik og relativitetsteori: Lærebog for universitetsstuderende.
Myakishev. Molekylær fysik og termodynamik.
Myakishev. Fysik. Mekanik.
Myakishev. Fysik. Elektrodynamik.
Russell, D. Hydroponics.
Sanko. Astronomisk ordbog.
Sivukhin. Almen fysik kursus.
Feynman. Feynman foredrag om tyngdekraft.
Tsiolkovsky. Sager om raketteknologi.
Shileiko. I et hav af energi.
Golubev I.R. og Novikov Yu.V. Miljø og dets beskyttelse
Zakhlebny A.N. Læsebog om naturbeskyttelse
Zverev I. Naturbevarelse og miljøuddannelse af skolebørn.
Ivanov A.F. Fysisk eksperiment med miljøindhold.
Kiselev S.V. Demonstration af drivhuseffekten.
Internetressourcer:
https://ru.wikipedia.org/wiki/Home_page
http://www.roscosmos.ru
http://allpatents.ru
Placer en person i rummet, væk fra jordoverfladens gravitationsbindinger, og han vil opleve vægtløshed. Selvom alle universets masser stadig vil udøve en tyngdekraft på ham, vil de også tiltrække ethvert rumfartøj, personen befinder sig i, så han vil flyde. Og alligevel viste de os på tv, at besætningen på et bestemt rumskib ganske vellykket går med fødderne på gulvet under alle forhold. Til dette formål bruges kunstig tyngdekraft, skabt af installationer om bord på et fantastisk skib. Hvor tæt er dette på ægte videnskab?
Kaptajn Gabriel Lorca på broen af Discovery under en falsk kamp med klingonerne. Hele besætningen tiltrækkes af kunstig tyngdekraft, og det er sådan set allerede kanon
Med hensyn til tyngdekraften var Einsteins store opdagelse princippet om ækvivalens: Med ensartet acceleration kan referencerammen ikke skelnes fra gravitationsfeltet. Hvis du var på en raket og ikke kunne se universet gennem vinduet, ville du ikke have nogen idé om, hvad der skete: Blev du trukket ned af tyngdekraften, eller accelererede raketten i en bestemt retning? Dette var ideen, der førte til den generelle relativitetsteori. Efter 100 år er dette den mest nøjagtige beskrivelse af tyngdekraft og acceleration, vi kender.
Den identiske opførsel af en bold, der falder til gulvet i en raket (venstre) og på jorden (højre) demonstrerer Einsteins ækvivalensprincip
Der er et andet trick, som Ethan Siegel skriver, som vi kan bruge, hvis vi vil: vi kan få rumskibet til at snurre. I stedet for lineær acceleration (som trykket fra en raket) kan centripetalacceleration fås til at virke, så personen om bord mærker rumfartøjets ydre krop, der skubber ham mod midten. Denne teknik blev brugt i 2001: A Space Odyssey, og hvis dit rumskib var stort nok, ville den kunstige tyngdekraft ikke kunne skelnes fra ægte tyngdekraft.
Der er kun én ting. Disse tre typer af acceleration - gravitationel, lineær og rotation - er de eneste, vi kan bruge til at simulere virkningerne af tyngdekraften. Og dette er et stort problem for et rumfartøj.
Stationens koncept fra 1969, som skulle samles i kredsløb fra de afsluttede faser af Apollo-programmet. Stationen skulle rotere om sin centrale akse for at skabe kunstig tyngdekraft
Hvorfor? For hvis du vil til et andet stjernesystem, bliver du nødt til at fremskynde dit skib for at komme dertil, og derefter sænke farten, når du ankommer. Hvis du ikke kan beskytte dig selv mod disse accelerationer, venter katastrofen dig. For at accelerere til fuld momentum i Star Trek, til et par procent af lysets hastighed, skulle man for eksempel opleve en acceleration på 4000 g. Dette er 100 gange accelerationen, som begynder at hæmme blodgennemstrømningen i kroppen.
Opsendelsen af rumfærgen Columbia i 1992 viste, at acceleration sker over en lang periode. Rumfartøjets acceleration vil være mange gange højere, og den menneskelige krop vil ikke være i stand til at klare det
Medmindre du vil være vægtløs under en lang rejse - for ikke at udsætte dig selv for frygtelig biologisk slid som muskel- og knogletab - skal der være en konstant kraft på kroppen. For enhver anden kraft er dette ret nemt at gøre. I elektromagnetisme kunne man for eksempel placere en besætning i en ledende kabine, og mange eksterne elektriske felter ville simpelthen forsvinde. Det ville være muligt at placere to parallelle plader indeni og skabe et konstant elektrisk felt, der skubber ladninger i en bestemt retning.
Hvis bare tyngdekraften virkede på samme måde.
Der er simpelthen ikke noget, der hedder en gravitationsleder, og det er heller ikke muligt at beskytte sig mod gravitationskraften. Det er umuligt at skabe et ensartet gravitationsfelt i et område af rummet, for eksempel mellem to plader. Hvorfor? For i modsætning til den elektriske kraft, der genereres af positive og negative ladninger, er der kun én type gravitationsladning, og det er masseenergi. Tyngdekraften tiltrækker altid, og der er ingen flugt fra den. Du kan kun bruge tre typer acceleration - gravitationel, lineær og rotation.
Langt de fleste kvarker og leptoner i universet består af stof, men hver af dem har også antipartikler lavet af antistof, hvis gravitationsmasser ikke er blevet bestemt
Den eneste måde, kunstig tyngdekraft kunne skabes, som ville beskytte dig mod virkningerne af dit skibs acceleration og give dig konstant "nedadgående" fremdrift uden acceleration, ville være, hvis du låste op for negative tyngdekraftsmassepartikler. Alle de partikler og antipartikler, vi har fundet indtil videre, har positiv masse, men disse masser er inerti, hvilket betyder, at de kun kan bedømmes, når partiklen er skabt eller accelereret. Inertimasse og gravitationsmasse er ens for alle partikler, vi kender, men vi har aldrig testet vores idé om antistof eller antipartikler.
I øjeblikket udføres forsøg på dette område. ALPHA-eksperimentet på CERN har skabt antibrint: en stabil form for neutralt antistof, og arbejder på at isolere det fra alle andre partikler. Hvis eksperimentet er følsomt nok, vil vi være i stand til at måle, hvordan en antipartikel kommer ind i et gravitationsfelt. Hvis det falder ned, som almindeligt stof, så har det en positiv gravitationsmasse og kan bruges til at bygge en gravitationsleder. Hvis det falder opad i et gravitationsfelt, ændrer det alt. Kun ét resultat, og kunstig tyngdekraft kunne pludselig blive mulig.
Muligheden for at opnå kunstig gravitation er utrolig attraktiv for os, men er baseret på eksistensen af negativ gravitationsmasse. kan være sådan en masse, men vi har ikke bevist dette endnu
Hvis antistof har negativ gravitationsmasse, så ved at skabe et felt af normalt stof og et loft af antistof, kunne vi skabe et kunstigt tyngdefelt, der altid ville trække dig ned. Ved at skabe en gravitationelt ledende skal i form af skroget på vores rumfartøj, ville vi beskytte besætningen mod kræfterne af ultrahurtig acceleration, som ellers ville være dødelig. Og bedst af alt ville mennesker i rummet ikke længere opleve de negative fysiologiske effekter, som plager astronauter i dag. Men indtil vi finder en partikel med negativ gravitationsmasse, vil kunstig tyngdekraft kun opnås på grund af acceleration.