Як створити кольорову науку про штучну гравітацію
футуризм середа, 07 листопада 2018 року, Тімо ван Неерден
У космосі, незалежно від того, чи перебуваєте ви на орбіті зірки або далеко від будь-якої зірки, сили тяжіння вже немає: відчуття ваги не існує. На міжнародній космічній станції, МКС, астронавти плавають і рухаються невагомість.
МКС - це лабораторія для дослідження наслідків позбавлення сили тяжіння, тому така ситуація є досить корисною. З іншого боку, в гіпотезі про міжпланетну подорож на кілька місяців сила тяжіння планети повинна бути замінена чимось іншим: штучна гравітація.
Навіщо потрібна штучна гравітація ?
Я сказав це: на МКС постійно потрібна ситуація "0-g" для цілей Наукове дослідження (і в невеликій мірі туристично).
Життя і людина еволюціонували на Землі, у чітко визначеному полі тяжіння. Тіло звикло і цим користується. Без гравітації його функціонування змінюється і не завжди в правильному напрямку.
Наприклад, без сили тяжіння ноги більше не повинні щодня витримувати вагу тіла: м’язи більше не використовуються, а кістки - ні. Результат: вони атрофуються і слабшають. Повернутися на сушу тоді важко. Крім того, астронавти, яким доводиться перебувати кілька тижнів в умовах нульової гравітації, роблять багато вправ, щоб уникнути цього: сила притягання Землі, яка інакше утримує їх на землі, під час цих вправ замінюється гумками.
Серед інших ефектів можна назвати деформацію черепа та ока, а отже, і зору. Багато астронавтів з ідеальним зором перед поїздкою в космос повертаються на Землю і повинні носити окуляри.
NASA змогло розробити медичні методи для лікування втрати кісткової маси та деформації очного яблука (рішення, надзвичайно корисні для людей, які мають ці проблеми патологічно, що, звичайно, є однією з переваг серед інших. Космічних досліджень). Це добре, але це не вирішує всієї проблеми і не є життєздатним рішенням у довгостроковій перспективі, наприклад, у гіпотезі про міжпланетну подорож.
Тому можливість штучного відтворення гравітації неминуча. Є кілька рішень для досягнення цього, і ми їх дослідимо тут.
Штучне тяжіння
Прискорення сили тяжіння на Землі - це сила, яка утримує нас на землі.
Отже, на кораблі ми повинні знайти силу, яка утримує нас на землі. Ми могли б використовувати гумки з жорсткістю, еквівалентною силі тяжіння, але це не було б практичним для пересування. Також фізично можна було б мати пояс магнітів, але це теж не ідеально, враховуючи, що магнітні поля можуть впливати на бортове обладнання.
Іншим рішенням, яке дозволило б знову впасти на землю всі предмети, було б ламінарний потік повітря вгору-вниз: достатньо привітряного вітру, щоб тримати нас прикріпленими до землі. Сила - це сила, тому в принципі вона буде працювати ... якщо виключити турбулентність у повітрі та інші незручності, пов’язані з самим вітром.
Є ще два практичні рішення, які іноді вже використовуються у науковій фантастиці.
Рішення 1: обертовий корабель
Будь то у фільмах 2001 року, Космічній Одісеї 1969 року або Міжзоряному 2014 році, кораблі, на яких рухаються герої, обертаються. Тоді саме відцентрове прискорення утримує астронавтів на землі корабля.
Однак, згідно із законами Ньютона, прискорення, яке зазнає тіло, призводить до дії сили, яка діє на це тіло. Це справедливо для прискорення як похідної (або зміни) швидкості, а також для прискорення сили тяжіння. Вони є рівнозначними, і тому не зовсім неправильно говорити про "відцентрову силу", як ми іноді її чуємо: вам просто потрібно побачити, звідки ця сила береться, і мати все, що вам потрібно знати.
Створення штучної гравітації таким чином здійсненне, і навіть дуже практичне: ви можете збільшити цю силу більш-менш, просто змусивши корабель крутитись більш-менш швидко на собі.
У 2001 році крутиться "Космічна одісея", знаменита Космічна станція V. Діаметр 300 метрів і обертання за 61 секунду створюють відцентрову силу, еквівалентну силі тяжіння, що виникає на Місяці. Для сили тяжіння, подібної до сили на Землі, вона повинна була обертатися швидше, приблизно на один поворот за 20 секунд:
Космічна станція V, 2001, Космічна одісея (Ден Еллінгсворт)
В Інтерстеларі корабель Витривалості обертається за 12 секунд, а його діаметр становить 72 метри. За цими даними штучна гравітація падає з точністю до 5% від прискорення сили тяжіння на Землі.
розумію дві переваги до цього методу.
Вже вона є легко адаптується: Ви можете дуже просто змінити інтенсивність штучної гравітації, регулюючи швидкість обертання корабля. Цього можна досягти або за допомогою газових рушіїв (як у Міжзоряному), або з інерційною масою в центрі корабля.
Також після досягнення бажаної швидкості обертання інерція автоматично підтримуватиме це обертання без подальшого введення енергії. Тому це відносно зручно, коли кількість палива, газу чи енергії, що є в наявності, обмежена.
Рішення 2: постійне прискорення
Іншим рішенням постійної штучної гравітації було б просто постійне прискорення корабля. Як зазначалося вище, прискорення швидкості еквівалентно прискоренню сили тяжіння. Тому одне може замінити інше, ми не можемо диференціювати їх просто за почуттями.
У спортивному автомобілі, який запускається, ви застрягли в спинці сидіння. Автомобіль розганяється вперед, але у відповідь виникає сила, яка штовхає нас назад. Коли машина досягає максимальної швидкості, відчуття натискання зникає: прискорення дорівнює нулю. Ідея тут полягає в тому, щоб підтримувати прискорення корабля протягом періоду, рівного тривалості подорожі.
Прискорення сили тяжіння на Землі становить 9,81 м/с². Щоб наше судно мало еквівалентне прискорення, його швидкість повинна збільшуватися на 9,81 м/с (35,31 км/год) щосекунди.
Ми можемо легко зрозуміти, що якщо ми підтримуємо це протягом декількох місяців, швидкість стає колосальною. Якщо ми підтримуємо це прискорення протягом тижня (тривалість місії «Аполлон»), ми вже досягли 21 355 488 км/год, або близько 2% швидкості світла. Потримайте це протягом року, і ми практично на блискавичній швидкості (за винятком релятивістських ефектів).
Перевагою та особливістю цього методу є те, що прискорення є постійним і рівномірним: немає різниці від голови до ніг. Крім того, це дозволяє дуже швидко досягти величезної швидкості, а отже, дістатися до таких пунктів, як Марс, лише за кілька днів (порівняно з 9 місяцями в даний час за сучасних технологій).
Основним недоліком є те, що підтримка цього прискорення неможлива без гігантського джерела палива. В даний час це неможливо, незалежно від використовуваної технології.
Нарешті, щоб дістатися до пункту призначення зі швидкістю, з якою ви зможете приземлитися, ви також повинні загальмувати. Це не проблема: просто змініть тягу наполовину. Тоді прискорення є уповільненням 9,81 м/с², але відчуття штучної гравітації не змінюється (за винятком того, що воно знаходиться на передній частині судна, а вже не на задній), а судно до прибуття до місця призначення.
Висновок
Немає необхідності в "реакторі штучної гравітації", як це описано в багатьох художніх творах і робота якого незрозуміла. Для цього потрібно лише трохи обертання, відцентрового прискорення та кількох простих законів фізики.
Завдяки простоті застосування, можна впевнено сказати, що це перше рішення, описане тут, рішення обертового корабля, яке буде адаптоване першим, коли нам доведеться подорожувати на Марс.
Тоді, коли наша цивілізація зможе колонізувати зірки, ми могли побачити гігантські космічні кораблі у формі трубки в радіусі кількох сотень метрів, що обертаються: це циліндри О'Ніла. Тисячі людей зможуть жити там із відчуттям сили тяжіння, рівним відчуттю на Землі:
Купер-Стейшн, з фільму «Міжзоряна», який є циліндром О’Ніла.
Нарешті, я згадую це тут у будь-якому випадку, як ви можете подумати про використання судно, достатньо масивне для природного прискорення сили тяжіння. Це правда, що кожен об’єкт створює своє власне поле тяжіння, але точно: якщо ми хочемо поле тяжіння, рівне земному, нам знадобиться посудина такої ж маси, як і Земля. Ви могли б також почати рухатись Землею безпосередньо ... те, що поки неможливо і що не було б цікаво, якщо ми плануємо залишити Землю, щоб піти деінде.
Сила тяжіння дуже слабка в порівнянні з іншими силами природи, як магнітна сила. Зрозумійте: коли ви піднімаєте магнітом цвях або скріпку, останній перемагає силу тяжіння всієї планети Земля. !
Ось чому для отримання розумного прискорення сили тяжіння природним шляхом вам потрібна маса, еквівалентна планеті, і на даний момент це неможливо.
Можна було б використовувати чорну діру як достатньо компактне джерело тяжіння: чорна діра розміром 9 міліметрів мала б масу Землі (хоча набагато меншої чорної діри було б достатньо, враховуючи те, що ми можемо підійти до нього), але це не вирішує проблему енергії, необхідної для її переміщення. Не кажучи вже про проблеми, притаманні чорним дірам: все, що потрапляє в них (наприклад, випадково), втрачається, ані X та гамма-випромінювання, що випромінюється речовиною, яка збирається потрапити. Нарешті, при цьому масштабі планетарної маси в кулі прискорення сили тяжіння дуже швидко зменшується.
Однак "портативна" чорна діра може бути використана як джерело енергії (це буде для іншої статті).