Sztuczna grawitacja w Sci-Fi. Szukamy prawdy. Dlaczego w kosmosie nie ma sztucznej grawitacji?

Sztuczna grawitacja w Sci-Fi.  Szukamy prawdy.  Dlaczego w kosmosie nie ma sztucznej grawitacji?
Sztuczna grawitacja w Sci-Fi. Szukamy prawdy. Dlaczego w kosmosie nie ma sztucznej grawitacji?

Umieść osobę w kosmosie, z dala od wiązań grawitacyjnych powierzchni Ziemi, a doświadczy nieważkości. A jednak pokazali nam w telewizji, że załoga statku kosmicznego z powodzeniem chodzi ze stopami na podłodze. W tym celu wykorzystuje się sztuczną grawitację, tworzone przez instalacje na pokładzie fantastycznego statku. Jak blisko jest to prawdziwej nauki?


Kapitan Gabriel Lorca na mostku Discovery podczas pozorowanej bitwy z Klingonami. Całą załogę przyciąga sztuczna grawitacja, a to jest już w pewnym sensie kanoniczne.

Odnośnie grawitacji. Wielkim odkryciem Einsteina była zasada równoważności: kiedy równomierne przyspieszenie układ odniesienia jest nie do odróżnienia od pola grawitacyjnego. Gdybyś był na rakiecie i nie widziałbyś wszechświata przez okno, nie miałbyś pojęcia, co się dzieje: czy przyciąga cię grawitacja, czy może rakieta przyspiesza w określonym kierunku? To był pomysł, który doprowadził do ogólnej teorii względności. 100 lat później jest to samo poprawny opis grawitacja i przyspieszenie, jakie znamy.


Identyczne zachowanie piłki uderzającej o podłogę w rakiecie (po lewej) i o Ziemię (po prawej) demonstruje zasadę równoważności Einsteina.

Jest jeszcze jeden trik, jak pisze Ethan Siegel, z którego możemy skorzystać, jeśli chcemy: możemy zmusić statek kosmiczny obracać się. Zamiast przyspieszenia liniowego (jak ciąg rakiety) można zastosować przyspieszenie dośrodkowe, dzięki czemu osoba na pokładzie poczuje, jak zewnętrzny korpus statku kosmicznego popycha go w kierunku środka. Technikę tę zastosowano w „2001: Odyseja kosmiczna” i gdyby twój statek kosmiczny był wystarczająco duży, sztuczna grawitacja byłaby nie do odróżnienia od prawdziwej grawitacji.
Jest tylko jedna rzecz. Te trzy rodzaje przyspieszeń – grawitacyjne, liniowe i obrotowe – to jedyne, których możemy użyć do symulacji wpływu grawitacji. I to jest ogromny problem dla statek kosmiczny.


Koncepcja stacji z 1969 roku, która miała być montowana na orbicie z zakończonych etapów programu Apollo. Stacja musiała sama się obracać Centralna oś do wytworzenia sztucznej grawitacji.

Dlaczego? Ponieważ jeśli chcesz udać się do innego układu gwiezdnego, będziesz musiał przyspieszyć swój statek, aby się tam dostać, a następnie zwolnić po przybyciu na miejsce. Jeśli nie możesz uchronić się przed tymi przyspieszeniami, czeka cię katastrofa. Przykładowo, żeby w Star Treku rozpędzić się do pełnego rozpędu, do kilku procent prędkości światła, trzeba by doświadczyć przyspieszenia 4000 g. Jest to 100-krotne przyspieszenie, które zaczyna utrudniać przepływ krwi w organizmie.


Początek prom kosmiczny Columbia w 1992 roku wykazała, że ​​przyspieszenie zachodzi przez cały czas długi okres. Przyspieszenie statku kosmicznego będzie wielokrotnie wyższe i Ludzkie ciało nie będzie w stanie sobie z nim poradzić.

Jeśli nie chcesz podczas długiej podróży zachować stanu nieważkości, aby nie narażać się na straszne zużycie biologiczne, takie jak utrata mięśni i kości, na ciało musi oddziaływać stała siła. Dla każdej innej siły jest to całkiem łatwe. Na przykład w elektromagnetyzmie można by umieścić załogę w przewodzącej kabinie, a wiele zewnętrznych pól elektrycznych po prostu znikłoby. Można by umieścić wewnątrz dwie równoległe płytki i wytworzyć stałe pole elektryczne, które popycha ładunki w określonym kierunku.
Gdyby tylko grawitacja działała w ten sam sposób.
Po prostu nie ma czegoś takiego jak przewodnik grawitacyjny i nie można uchronić się przed siłą grawitacji. Niemożliwe jest wytworzenie jednolitego pola grawitacyjnego w jakimś obszarze przestrzeni, na przykład pomiędzy dwiema płytami. Dlaczego? Ponieważ w przeciwieństwie do siły elektrycznej generowanej przez ładunki dodatnie i ujemne, istnieje tylko jeden rodzaj ładunku grawitacyjnego, a mianowicie energia masowa. Siła grawitacji zawsze przyciąga i nie ma przed nią ucieczki. Można zastosować tylko trzy rodzaje przyspieszeń – grawitacyjne, liniowe i rotacyjne.


Zdecydowana większość kwarków i leptonów we Wszechświecie składa się z materii, ale każdy z nich ma także antycząstki zbudowane z antymaterii, których masy grawitacyjne nie zostały określone.

Jedynym sposobem na stworzenie sztucznej grawitacji, która chroniłaby cię przed skutkami przyspieszenia statku i zapewniała stały ciąg „w dół” bez przyspieszania, byłoby odblokowanie cząstek o ujemnej masie grawitacyjnej. Wszystkie cząstki i antycząstki, które do tej pory znaleźliśmy, mają masę dodatnią, ale masy te są bezwładne, co oznacza, że ​​można je ocenić dopiero wtedy, gdy cząstka zostanie utworzona lub przyspieszona. Masa bezwładna i masa grawitacyjna są takie same dla wszystkich znanych nam cząstek, ale nigdy nie testowaliśmy naszego pomysłu na antymaterii ani antycząstkach.
Obecnie prowadzone są eksperymenty w tym zakresie. Eksperyment ALPHA w CERN stworzył antywodór: stabilną formę neutralnej antymaterii i trwają prace nad wyizolowaniem jej od wszystkich innych cząstek. Jeśli eksperyment będzie wystarczająco czuły, będziemy w stanie zmierzyć, w jaki sposób antycząstka wchodzi w pole grawitacyjne. Jeśli opada jak zwykła materia, to ma dodatnią masę grawitacyjną i można z niej zbudować przewodnik grawitacyjny. Jeśli spadnie w górę w polu grawitacyjnym, zmienia wszystko. Wystarczy jeden wynik, a sztuczna grawitacja może nagle stać się możliwa.


Możliwość uzyskania sztucznej grawitacji jest dla nas niezwykle atrakcyjna, ale opiera się na istnieniu ujemnej masy grawitacyjnej. Antymateria może mieć taką masę, ale jeszcze tego nie udowodniliśmy.

Jeśli antymateria ma ujemną masę grawitacyjną, to tworząc pole normalnej materii i sufit antymaterii, moglibyśmy stworzyć sztuczne pole grawitacyjne, które zawsze będzie ściągać cię w dół. Tworząc grawitacyjnie przewodzącą powłokę w postaci kadłuba naszego statku kosmicznego, chronilibyśmy załogę przed siłami ultraszybkiego przyspieszenia, które w przeciwnym razie byłyby śmiertelne. A co najważniejsze, ludzie w kosmosie nie będą już doświadczać negatywnych skutków fizjologicznych, które nękają współczesnych astronautów. Ale dopóki nie znajdziemy cząstki o ujemnej masie grawitacyjnej, sztuczną grawitację uzyskamy jedynie dzięki przyspieszeniu.

W przypadku obiektów w przestrzeni rotacja jest powszechną rzeczą. Kiedy dwie masy poruszają się względem siebie, ale nie w kierunku lub od siebie, ich siła grawitacji wytwarza moment obrotowy. W efekcie w Układ Słoneczny wszystkie planety krążą wokół Słońca.

Jest to jednak coś, na co człowiek nie miał wpływu. Dlaczego statek kosmiczny się obraca? Aby ustabilizować pozycję, stale kieruj instrumenty we właściwym kierunku, a w przyszłości - aby wytworzyć sztuczną grawitację. Przyjrzyjmy się tym pytaniom bardziej szczegółowo.

Stabilizacja obrotu

Kiedy patrzymy na samochód, wiemy, w którą stronę się porusza. Jest kontrolowany poprzez interakcję z otoczenie zewnętrzne- przyczepność kół do drogi. Tam, gdzie koła się obracają, tam jedzie cały samochód. Ale jeśli pozbawimy go tej przyczepności, jeśli wyślemy samochód na łysych oponach, aby toczył się po lodzie, to będzie kręcił się w walcu, co będzie niezwykle niebezpieczne dla kierowcy. Ten rodzaj ruchu rzadko występuje na Ziemi, ale jest normą w kosmosie.

B.V. Rauschenbach, akademik i laureat Nagrody Lenina, napisał w „Spacecraft Motion Control” o trzech głównych typach problemów związanych ze sterowaniem ruchem statków kosmicznych:

  1. Uzyskanie pożądanej trajektorii (sterowanie ruchem środka masy),
  2. Kontrola orientacji, czyli odbiór upragniona pozycja korpus statku kosmicznego względem zewnętrznych punktów odniesienia (kontrola ruch obrotowy wokół środka masy);
  3. Przypadek, gdy te dwa rodzaje sterowania są realizowane jednocześnie (na przykład, gdy statki kosmiczne zbliżają się do siebie).
Obrót urządzenia odbywa się w celu zapewnienia stabilnej pozycji statku kosmicznego. Wyraźnie pokazuje to eksperyment przedstawiony na poniższym filmie. Koło przymocowane do linki zajmie pozycję równoległą do podłogi. Ale jeśli to koło zostanie najpierw zakręcone, zachowa swoje pozycja pionowa. A grawitacja nie będzie w tym przeszkadzać. I nawet dwukilogramowy ładunek przyczepiony na drugim końcu osi niewiele zmieni obrazu.

Organizm przystosowany do życia w warunkach grawitacji radzi sobie bez niej. I nie tylko przetrwać, ale także aktywnie pracować. Ale to mały cud nie bez konsekwencji. Doświadczenie zgromadzone przez dziesięciolecia lotów kosmicznych człowieka pokazało, że człowiek w kosmosie doświadcza dużego stresu, który pozostawia ślad na ciele i psychice.

Na Ziemi nasze ciało walczy z grawitacją, która ściąga krew w dół. W kosmosie ta walka trwa, ale nie ma siły grawitacji. Dlatego astronauci są opuchnięci. Wzrasta ciśnienie wewnątrzczaszkowe i wzrasta ciśnienie w oczach. To zniekształca nerw wzrokowy i wpływa na kształt gałek ocznych. Zmniejsza się zawartość osocza we krwi, a w wyniku zmniejszenia ilości krwi potrzebnej do przepompowania następuje zanik mięśnia sercowego. Ubytek masy kostnej jest znaczny i kości stają się kruche.

Aby zwalczyć te skutki, ludzie na orbicie zmuszeni są codziennie ćwiczyć. Dlatego uważa się, że utworzenie sztucznej grawitacji jest pożądane w przypadku długotrwałych podróży kosmicznych. Taka technologia powinna tworzyć fizjologicznie naturalne warunki do zamieszkania przez ludzi na pokładzie pojazdu. Konstantin Ciołkowski wierzył także, że sztuczna grawitacja pomoże rozwiązać wiele problemów medycznych związanych z lotami kosmicznymi człowieka.

Sama idea opiera się na zasadzie równoważności siły ciężkości i siły bezwładności, która głosi: „Siły oddziaływanie grawitacyjne są proporcjonalne do masy grawitacyjnej ciała, natomiast siły bezwładności są proporcjonalne do masy bezwładności ciała. Jeżeli masy bezwładności i grawitacji są równe, wówczas nie da się rozróżnić, która siła działa na dane raczej małe ciało – siła grawitacyjna czy siła bezwładności.

Technologia ta ma wady. W przypadku urządzenia o małym promieniu na nogi i głowę będą oddziaływać różne siły – im dalej od środka obrotu, tym silniejsza sztuczna grawitacja. Drugim problemem jest siła Coriolisa, pod wpływem której osoba będzie się kołysać, poruszając się względem kierunku obrotu. Aby tego uniknąć, urządzenie musi być ogromne. I trzeci ważne pytanie związane ze złożonością opracowania i montażu takiego urządzenia. Tworząc taki mechanizm, należy zastanowić się, w jaki sposób zapewnić załodze stały dostęp do przedziałów ze sztuczną grawitacją i jak sprawić, aby torus ten poruszał się płynnie.

W prawdziwe życie Technologia ta nie była dotychczas stosowana przy budowie statków kosmicznych. Dla ISS zaproponowano nadmuchiwany moduł ze sztuczną grawitacją w celu zademonstrowania prototypu statku kosmicznego Nautilus-X. Ale moduł jest drogi i powodowałby znaczne wibracje. Wykonanie całego ISS ze sztuczną grawitacją za pomocą obecnych rakiet jest trudne do zrealizowania – wszystko trzeba by było złożyć na orbicie w częściach, co znacznie skomplikowałoby zakres operacji. A ta sztuczna grawitacja zaprzeczałaby samej istocie ISS jako latającego laboratorium mikrograwitacji.


Koncepcja nadmuchiwanego modułu mikrograwitacyjnego dla ISS.

Ale sztuczna grawitacja żyje w wyobraźni pisarzy science fiction. Statek Hermes z filmu Marsjanin ma w centrum obracający się torus, który wytwarza sztuczną grawitację, aby poprawić kondycję załogi i zmniejszyć wpływ nieważkości na ciało.

Amerykańska Narodowa Agencja Aerokosmiczna opracowała skalę poziomów gotowości technologicznej TRL składającą się z dziewięciu poziomów: od pierwszego do szóstego – rozwój w ramach prac badawczo-rozwojowych, od siódmego i wyższych – prace rozwojowe i demonstracja wydajności technologii. Technologia z filmu „Marsjanin” odpowiada na razie jedynie trzeciemu lub czwartemu poziomowi.

Pomysł ten ma wiele zastosowań w literaturze i filmach science fiction. Seria A Space Odyssey Arthura C. Clarke'a opisała Discovery One jako konstrukcję w kształcie hantli, zaprojektowaną w celu oddzielenia zasilanego reaktora jądrowego od obszaru mieszkalnego. Równik kuli zawiera „karuzelę” o średnicy 11 metrów, obracającą się z prędkością około pięciu obrotów na minutę. Wirówka ta wytwarza poziom grawitacji równy Księżycowi, co powinno zapobiegać fizycznej atrofii w warunkach mikrograwitacji.


„Odkrycie pierwsze” z „Odysei kosmicznej”

W serialu anime Planetes stacja kosmiczna ISPV-7 ma ogromne pomieszczenia o zwykłej ziemskiej grawitacji. Sektor żywy i strefa produkcji roślinnej są umieszczone w dwóch torusach obracających się w różnych kierunkach.

Nawet twarda fantastyka naukowa ignoruje ogromne koszty takiego rozwiązania. Entuzjaści wzięli za przykład statek „Elysium” z filmu o tym samym tytule. Średnica koła wynosi 16 kilometrów. Waga - około miliona ton. Wysłanie ładunku na orbitę kosztuje 2700 dolarów za kilogram; SpaceX Falcon obniży tę kwotę do 1650 dolarów za kilogram. Aby dostarczyć taką ilość materiałów, konieczne będzie jednak przeprowadzenie 18 382 startów. To 1 bilion 650 miliardów dolarów – czyli prawie sto rocznych budżetów NASA.

Do prawdziwych osiedli w kosmosie, gdzie ludzie mogą cieszyć się zwykłym przyspieszeniem 9,8 m/s² swobodny spadek, nadal daleko. Może, ponowne użycie części rakietowe i windy kosmiczne pozwoli nam przybliżyć taką epokę.

Giennadij Brażnik, 23 kwietnia 2011 r
Patrząc na świat, otwórz oczy... (starożytny epos grecki)
Jak stworzyć sztuczną grawitację?
Obchodzona w tym roku pięćdziesiąta rocznica eksploracji kosmosu pokazała ogromny potencjał ludzkiej inteligencji w rozumieniu otaczającego nas Wszechświata. Międzynarodowa Stacja Kosmiczna (ISS) – załogowa stacja orbitalna- wspólny projekt międzynarodowy, w którym uczestniczą 23 kraje,
przekonująco dowodzi zainteresowania programów krajowych rozwojem zarówno bliskim, jak i dalekim przestrzeń kosmiczna. Dotyczy to zarówno naukowej, technicznej, jak i komercyjnej strony rozpatrywanego zagadnienia. Jednocześnie główną przeszkodą utrudniającą eksplorację przestrzeni masowej jest problem nieważkości lub braku grawitacji na istniejących obiektach kosmicznych. „Grawitacja ( uniwersalna grawitacja, grawitacja) jest uniwersalną, podstawową interakcją pomiędzy wszystkimi ciałami materialnymi. W przybliżeniu małych prędkości i słabego oddziaływania grawitacyjnego opisuje to teoria grawitacji Newtona, w ogólnym przypadku ogólna teoria względności Einsteina” – taką definicję podaje nowoczesna nauka ten fenomen. Natura grawitacji jest obecnie niejasna. Rozwój teoretyczny w ramach różnych teorie grawitacyjne nie znajdź ich potwierdzenie eksperymentalne, co sugeruje przedwczesne zatwierdzenie paradygmat naukowy ze względu na naturę oddziaływania grawitacyjnego, jako jeden z czterech podstawowe interakcje. Zgodnie z teorią grawitacji Newtona siłę przyciągania Ziemi określa się wzorem F=m x g, gdzie m jest masą ciała, a g jest przyspieszeniem ziemskim. „Przyspieszenie grawitacyjne g to przyspieszenie nadawane ciału w próżni pod wpływem grawitacji suma geometryczna przyciąganie grawitacyjne planety (lub innego ciała astronomicznego) i siły bezwładności spowodowane jego obrotem. Zgodnie z drugim prawem Newtona przyspieszenie ziemskie jest równe sile grawitacji działającej na obiekt o jednostkowej masie. Wartość przyspieszenia grawitacyjnego Ziemi zwykle przyjmuje się na poziomie 9,8 lub 10 m/s╡. Standardową („normalną”) wartością przyjmowaną przy konstruowaniu układów jednostek jest g = 9,80665 m/s╡, a w obliczeniach technicznych przyjmuje się zwykle g = 9,81 m/s╡. Wartość g zdefiniowano jako „średnią” w co oznacza, że ​​przyspieszenie grawitacyjne na Ziemi jest w przybliżeniu równe przyspieszeniu grawitacyjnemu na 45,5° szerokości geograficznej na poziomie morza. Rzeczywiste przyspieszenie grawitacyjne na powierzchni Ziemi zależy od szerokości geograficznej, pory dnia i innych czynników. Waha się ona od 9,780 m/s╡ na równiku do 9,832 m/s╡ na biegunach.” Ta niepewność naukowa rodzi również szereg pytań związanych ze stałą grawitacji w ogólnej teorii względności. Czy jest ona tak stała, jeśli zgodnie z warunkach grawitacji mamy taki rozrzut parametrów. Główne argumenty niemal wszystkich teorii grawitacji są następujące: „Przyspieszenie grawitacyjne składa się z dwóch składowych: przyspieszenia grawitacyjnego i przyspieszenia dośrodkowego. Różnice wynikają z: przyspieszenia dośrodkowego w układzie odniesienia związanego z obracającą się Ziemią; niedokładność wzoru ze względu na fakt, że masa planety jest rozłożona na objętość, która ma kształt geometryczny, różny od idealnej kuli (geoidy); heterogeniczności Ziemi, która służy do poszukiwania minerałów za pomocą anomalii grawitacyjnych.” Na pierwszy rzut oka są to argumenty dość przekonujące. Po bliższym przyjrzeniu się staje się oczywiste, że argumenty te nie wyjaśniają fizycznej natury zjawiska. W ziemskiej naturze układ odniesienia, powiązany z przyspieszeniem dośrodkowym w każdym z nich punkt geograficzny znajdują się wszystkie elementy pomiaru przyspieszenia swobodnego spadania. Dlatego zarówno obiekt pomiaru, jak i mierzone urządzenie podlegają temu samemu wpływowi, w tym rozłożonej masie Ziemi i anomaliom grawitacyjnym. Dlatego wynik pomiaru powinien być stały, ale tak nie jest. Dodatkowo niepewność sytuacji wynika z teoretycznych obliczonych wartości przyspieszenia swobodnego spadania na wysokości lotu ISS – g=8,8 m/s(2). Rzeczywista wartość grawitacji lokalnej na ISS określana jest w przedziale 10(−3)...10(−1) g, co określa stan nieważkości. Stwierdzenia, że ​​ISS porusza się od pierwszego prędkość ucieczki i znajduje się w stanie swobodnego spadania. A co z satelitami geostacjonarnymi? Przy tej obliczonej wartości g spadłyby na Ziemię dawno temu. Ponadto masę dowolnego ciała można zdefiniować jako ilościową i jakościową cechę jego własnego ładunku elektrycznego. Wszystkie te rozważania prowadzą do wniosku, że charakter grawitacji Ziemi nie zależy od stosunku mas oddziałujących ze sobą obiektów, ale jest wyznaczany przez siły Coulomba elektrycznego oddziaływania pola grawitacyjnego Ziemi. Jeśli lecimy samolotem w locie poziomym na wysokości dziesięciu km, wówczas prawa grawitacji są w pełni spełnione, ale podczas tego samego lotu na ISS na wysokości 350 km grawitacji praktycznie nie ma. Oznacza to, że w obrębie tych wysokości istnieje mechanizm pozwalający określić grawitację jako siłę oddziaływania ciał materialnych. Wartość tej siły określa prawo Newtona. Dla osoby o masie 100 kg siła przyciągania grawitacyjnego na poziomie gruntu, z wyłączeniem ciśnienie atmosferyczne , powinno wynosić F = 100 x 9,8 = 980 n. Zgodnie z istniejącymi danymi atmosfera ziemska jest strukturą niejednorodną elektrycznie, której uwarstwienie wyznacza jonosfera. „Jonosfera (lub termosfera) to część górnej atmosfery Ziemi, która jest silnie zjonizowana w wyniku napromieniowania promieniami kosmicznymi pochodzącymi głównie ze Słońca. Jonosfera składa się z mieszaniny gazu zawierającego obojętne atomy i cząsteczki (głównie azot N2 i tlen O2) i plazma quasi-neutralna (liczba cząstek naładowanych ujemnie jest tylko w przybliżeniu równa liczbie cząstek naładowanych dodatnio). Stopień jonizacji staje się znaczący już na wysokości 60 kilometrów i stale rośnie wraz z odległością od Ziemi w jonosferze wyróżnia się gęstość naładowanych cząstek N, warstw D, E i F. W obszarze D (60-90 km) stężenie naładowanych cząstek wynosi Nmax ~ 10(2)-10(3) cm. −3 – jest to obszar o słabej jonizacji. Główny udział w jonizacji tego obszaru ma słoneczne promieniowanie rentgenowskie. Niewielką rolę odgrywają także dodatkowe źródła słabej jonizacji: meteoryty płonące na wysokościach 60–100 km, kosmiczne promienie, a także energetyczne cząstki magnetosfery (wniesione do tej warstwy podczas burz magnetycznych). Warstwa D charakteryzuje się także gwałtownym spadkiem stopnia jonizacji w nocy. Warstwa E Region E (90-120 km) charakteryzuje się gęstością plazmy do Nmax ~ 10(5) cm-3. W warstwie tej obserwuje się wzrost koncentracji elektronów w ciągu dnia, gdyż głównym źródłem jonizacji jest promieniowanie krótkofalowe Słońca, ponadto rekombinacja jonów w tej warstwie przebiega bardzo szybko i w nocy gęstość jonów może spaść do ok 10(3) cm-3. Procesowi temu przeciwdziała dyfuzja ładunków z położonego powyżej obszaru F, gdzie stężenie jonów jest stosunkowo duże, oraz nocne źródła jonizacji (promieniowanie geokoronowe Słońca, meteory, promienie kosmiczne itp.). Sporadycznie na wysokościach 100-110 km pojawia się warstwa ES, bardzo cienka (0,5-1 km), ale gęsta. Cechą tej podwarstwy jest duże stężenie elektronów (ne~10(5) cm−3), które mają istotny wpływ na propagację średnich, a nawet krótkich fal radiowych odbitych od tego obszaru jonosfery. Warstwa E, ze względu na stosunkowo dużą koncentrację nośników prądu swobodnego, odgrywa ważną rolę w propagacji fal średnich i krótkich. Warstwa F Region F nazywany jest obecnie całą jonosferą powyżej 130-140 km. Maksymalne tworzenie jonów osiąga się na wysokościach 150-200 km. W ciągu dnia obserwuje się również powstawanie „kroku” w rozkładzie koncentracji elektronów spowodowanego silnym promieniowaniem słonecznym. promieniowanie ultrafioletowe. Obszar tego kroku nazywany jest obszarem F1 (150-200 km). Wpływa znacząco na propagację krótkich fal radiowych. Górna część warstwy F do 400 km nazywana jest warstwą F2. Tutaj gęstość naładowanych cząstek osiąga maksimum - N ~ 10(5)-10(6) cm-3. Na dużych wysokościach dominują lżejsze jony tlenu (na wysokości 400-1000 km), a jeszcze wyżej - jony wodoru (protony) i w małych ilościach jony helu. współczesne teorie elektryczność atmosferyczna została stworzona w połowie XX wieku przez angielskiego naukowca Charlesa Wilsona i radzieckiego naukowca Ya I. Frenkla. Według teorii Wilsona Ziemia i jonosfera pełnią rolę płytek kondensatora ładowanego przez chmury burzowe. Różnica potencjałów powstająca między płytkami prowadzi do pojawienia się pole elektryczne atmosfera. Według teorii Frenkla pole elektryczne atmosfery tłumaczy się całkowicie zjawiskami elektrycznymi zachodzącymi w troposferze - polaryzacją chmur i ich oddziaływaniem z Ziemią, przy czym jonosfera nie odgrywa roli znacząca rola w trakcie atmosferycznych procesów elektrycznych. Uogólnienie tych teoretycznych koncepcji interakcji elektrycznych w atmosferze implikuje rozważenie zagadnienia grawitacji Ziemi z punktu widzenia elektrostatyki. Na podstawie powyższych ogólnie znanych faktów możliwe jest określenie wartości grawitacyjnego oddziaływania elektrycznego ciał materialnych w warunkach grawitacji. Aby to zrobić, rozważ następujący model. Każde materialne ciało energetyczne znajdujące się w polu elektrycznym będzie przeprowadzać określone oddziaływanie kulombowskie. W zależności od wewnętrzna organizacjaładunek elektryczny, zostanie on albo przyciągnięty do jednego z biegunów elektrycznych, albo znajdzie się w stanie równowagi w tym polu. Stopień ładunku elektrycznego każdego ciała zależy od jego własnego stężenia wolne elektrony(w przypadku ludzi stężenie czerwonych krwinek). Następnie model grawitacyjnego oddziaływania przyciągania Ziemi można przedstawić w postaci sferycznego kondensatora składającego się z dwóch koncentrycznych pustych kul, których promienie są określone przez promień Ziemi i wysokość warstwy jonosferycznej F2. W tym polu elektrycznym znajduje się osoba lub inna osoba materialne ciało. Ładunek elektryczny powierzchni Ziemi jest ujemny, jonosfera jest dodatnia w stosunku do Ziemi. Ładunek elektryczny człowieka w stosunku do powierzchni Ziemi jest dodatni, dlatego siła Coulomba oddziaływania na powierzchnię zawsze będzie przyciągać człowieka na Ziemię. Obecność warstw jonosferycznych oznacza, że ​​całkowita pojemność elektryczna takiego kondensatora jest określona przez całkowitą pojemność każdej warstwy w połączenie szeregowe: 1/Comm = 1/C(E)+1/C(F)+1/C(F2). Ponieważ prowadzone są przybliżone obliczenia inżynieryjne, uwzględnimy główne warstwy jonosfery energetycznej, dla których przyjmiemy następujące dane początkowe: warstwa E - wysokość 100 km, warstwa F - wysokość 200 km, warstwa F2 - wysokość 400 km. Dla uproszczenia nie będziemy rozważać warstwy D i sporadycznej warstwy Es powstającej w jonosferze podczas zwiększonej lub zmniejszonej aktywności słonecznej. Na ryc. Na rysunku 1 przedstawiono schemat rozmieszczenia warstw jonosferycznych atmosfery ziemskiej oraz schemat obwodu elektrycznego rozpatrywanego procesu.
Obwód elektryczny na rys. 1.a przedstawia połączenie szeregowe trzech kondensatorów, do których doprowadzane jest stałe napięcie Etotal. Zgodnie z prawami elektrostatyki rozkład ładunków elektrycznych na płytkach każdego kondensatora C1, C2 i C3 jest pokazany warunkowo +/-. Na podstawie tego rozkładu ładunków elektrycznych powstają w sieci lokalne natężenia pola, których kierunki są przeciwne do całkowitego przyłożonego napięcia. W tych odcinkach sieci ruch ładunków elektrycznych będzie odbywał się w kierunku przeciwnym do całkowitego. Rysunek 1.b przedstawia schemat warstw jonosferycznych atmosfery ziemskiej, który jest w pełni opisany schemat elektryczny połączenie szeregowe kondensatorów. Siły oddziaływania kulombowskiego pomiędzy warstwami jonosfery są oznaczone jako Fg. W zależności od poziomu koncentracji ładunków elektrycznych, Górna warstwa jonosfera F2 jest elektrycznie dodatnia w stosunku do powierzchni Ziemi. Ze względu na cząstki wiatr słoneczny, mając różne energia kinetyczna, przenikną całą głębokość atmosfery, całkowita siła oddziaływania kulombowskiego każdej warstwy zostanie określona przez sumę wektorów całkowita siła grawitacja Fg całkowita i siła grawitacji oddzielnej warstwy jonosferycznej. Wzór na obliczenie pojemności kondensatora sferycznego jest następujący: C = 4x(pi)x e(a)x r1xr2/(r2-r1), gdzie C jest pojemnością kondensatora sferycznego; r1 - promień sfera wewnętrzna, równy sumie promienia Ziemi wynoszącego 6371,0 km i wysokości dolnej warstwy jonosfery; r2 jest promieniem kuli zewnętrznej, równym sumie promienia Ziemi i wysokości górnej warstwy jonosfery; e(a)=e(0)x e - absolutna stała dielektryczna, gdzie e(0)=8,85x10(-12) fm, e ~ 1. Wtedy zaokrąglone obliczone wartości pojemności każdej warstwy jonosferycznej będą miały następujące wartości: C (E)=47 µF, C(F)=46 µF, C(F2)=25 µF. Całkowita całkowita pojemność jonosfery, biorąc pod uwagę główne warstwy, wyniesie około 12 μF. Odległość pomiędzy warstwami jonosfery jest znacznie mniejsza niż promień Ziemi, dlatego obliczenie siły Coulomba działającej na ładunek można przeprowadzić korzystając ze wzoru na kondensator płaski: Fg= e(a) x A x U (2) /(2xd(2)), gdzie A to płyty powierzchniowe (pi x (Rз+ h)(2)); U - napięcie; d - odległość między warstwami; e(a)=e(0)x e - absolutna stała dielektryczna, gdzie e(0)=8,85x10(-12) fm, e ~ 1. Wtedy obliczone wartości sił oddziaływania kulombowskiego każdej warstwy jonosferycznej będą miały następujące wartości: Fg (E)= 58x10(-9)x U(2); Fg(F)= 59x10(-9)x U(2); Fg(F1)= 15x10(-9)x U(2); Fgtot = 3,98x10(-9)x U(2). Wyznaczmy wartość naprężenia atmosferycznego dla ciała o masie 100 kg. Wzór obliczeniowy będzie miał następny widok: F=m x g= Fg(E) + Fgtot. Zastępowanie znane wartości do tego wzoru otrzymujemy wartość U = 126 kV. W konsekwencji siły oddziaływania kulombowskiego warstw jonosferycznych będą wyznaczane przez następujące wartości: Fg(E)= 920n; Fg(F)= 936n; Fg(F1)= 238n; Fgcałkowita= 63n. Po przeliczeniu przyspieszenia swobodnego spadania każdej warstwy jonosfery, biorąc pod uwagę oddziaływanie Newtona, otrzymujemy następujące wartości: g(E)= +9,83 m/s(2); g(F)= -8,73 m/s(2); g(F1)= - 1,75 m/s(2). Należy zaznaczyć, że te obliczone wartości nie uwzględniają parametrów wewnętrznych atmosfery, a mianowicie ciśnienia i oporu otoczenia, spowodowanych stężeniem cząsteczek tlenu i azotu w każdej warstwie jonosfery. W wyniku przybliżonych obliczeń inżynierskich otrzymano wartość g(F1) = -1,75 m/s(2), która jest dobrze zgodna z rzeczywistą wartością lokalnego ciężaru na ISS - 10(−3)...10 (-1) g. Rozbieżności w wynikach wynikają z faktu, że wagi skrętne stosowane do pomiaru przyspieszenia ziemskiego nie są skalibrowane do wartości ujemnych – czego nie spodziewała się współczesna nauka. Aby stworzyć sztuczną grawitację, muszą zostać spełnione dwa warunki. Utwórz układ izolowany elektrycznie zgodnie z wymogiem twierdzenia Gaussa, a mianowicie zapewnij obieg wektora natężenia pola elektrycznego w zamkniętej kuli i zapewnij wewnątrz tej kuli natężenie pola elektrycznego niezbędne do wytworzenia siły oddziaływania Coulomba o wartości 1000 N. Natężenie pola można obliczyć ze wzoru: F= e(a) x A x E(2) /2, gdzie A jest polem płyty; E - natężenie pola elektrycznego; e(a)=e(0)x e - absolutna stała dielektryczna, gdzie e(0)=8,85x10(-12) fm, e ~ 1. Podstawiając dane do wzoru, dla 10 m2 otrzymujemy wartość natężenie pola elektrycznego równe E = 4,75 x 10(6) V/m. Jeżeli wysokość pomieszczenia wynosi trzy metry, to aby zapewnić obliczone napięcie, konieczne jest przyłożenie do podłogi-sufitu stałego napięcia o wartości U = E x d = 14,25 MV. Przy prądzie 1 A konieczne jest zapewnienie rezystancji płytek takiego kondensatora 14,25 MOhm. Zmieniając wartość napięcia, możesz uzyskać różne parametry powaga. Kolejność obliczonych wartości pokazuje, że rozwój systemów sztucznej grawitacji jest prawdziwa okazja. Starożytni Grecy mieli rację: „Patrząc na świat, otwórz oczy…”. Tylko takiej odpowiedzi można udzielić odnośnie natury grawitacji ziemskiej. Od 200 lat ludzkość aktywnie bada prawa elektrostatyki, w tym prawo Coulomba i twierdzenie Gaussa. Wzór na kondensator sferyczny jest praktycznie opanowany od dawna. Jedyne, co pozostaje, to otworzyć oczy na świat i zacznij go używać, aby wyjaśnić pozornie niemożliwe. Ale kiedy wszyscy zrozumiemy, że sztuczna grawitacja jest rzeczywistością, pojawią się kwestie komercyjnego wykorzystania loty kosmiczne staną się istotne i przejrzyste dla zrozumienia.
Moskwa, kwiecień 2011 Brazhnik G.N.

Nieważkość negatywnie wpływa na organizm ludzki. Zatem jedną z konsekwencji jego oddziaływania jest szybki zanik mięśni i późniejszy spadek ich całości wskaźniki fizyczne ciało. Aby rozwiązać ten problem, na ISS instalowane są specjalne symulatory, na których astronauci trenują po kilka godzin dziennie. Ale symulatory są nudne; znacznie ciekawiej byłoby stworzyć sztuczną grawitację.

Jednym ze sposobów wytworzenia sztucznej grawitacji, o którym stale przypominają dzieła pisarzy i naukowców science fiction, jest stworzenie stacji kosmicznej, która obracałaby się wokół własnej osi. Taki obrót powodowałby, że astronauci lub mieszkańcy stacji byliby stale pod wpływem siły odśrodkowej, którą odczuwaliby jako siłę grawitacji. Istnieje wiele podobnych projektów; aby szybko zorientować się, jakie to stacje, możesz przeczytać kilka małych artykułów z Wikipedii: ten, ten i ten.

Stacja obrotowa od wewnątrz. Źródło: Wikipedia Commons

Dlaczego te rozwiązania nie są stosowane w praktyce? Spróbujmy to rozgryźć.

Idea sztucznej grawitacji spowodowanej obrotem opiera się na zasadzie równoważności siły grawitacji i siły bezwładności; co mówi: jeśli masa obojętna i masa grawitacyjna są równe, nie można rozróżnić, która siła działa na ciało - siła grawitacyjna czy siła bezwładności. W prostych słowach: jeśli stworzysz statek kosmiczny obracający się wokół własnej osi, powstała siła odśrodkowa „wepchnie” astronautę w niego stronę od środka obrotu i może z łatwością stanąć na „podłodze”. Im szybciej statek się obraca i im dalej od środka znajduje się astronauta, tym silniejsza będzie sztuczna grawitacja. Siła grawitacji" F będzie równe:

F = m*v2/r, Gdzie M- masa astronauty, w— prędkość liniowa astronauty, R— odległość od środka obrotu (promień).

Prędkość liniowa jest równa v = 2π*R/T, Gdzie T- czas jednego obrotu.

Zobaczmy, jakie problemy mogą napotkać twórcy stacji obrotowej.

Jak widać, sztuczna siła przyciągania zależy bezpośrednio od odległości od środka obrotu, okazuje się, że dla małych R siła grawitacji będzie znacząco różna dla głowy i nóg astronauty, co może bardzo utrudnić poruszanie się. Ale będzie można się do tego dostosować.

Znacznie trudniej jest dostosować się do działania siły Coriolisa, która będzie występowała za każdym razem, gdy nasz astronauta poruszy się względem kierunku obrotu (Siła Coriolisa, Wikipedia). Pod wpływem tej siły astronauta będzie ciągle miał chorobę lokomocyjną, a to nie jest zbyt zabawne. Aby pozbyć się tego efektu prędkość obrotowa stacji musi być równa lub mniejsza niż dwa obroty na minutę i tu pojawia się kolejny problem - przy częstotliwości obrotowej wynoszącej dwa obroty na minutę, aby uzyskać sztuczną grawitację 1g (jak na Ziemi ), promień obrotu musi wynosić 224 metry. Wyobraź sobie stację kosmiczną w kształcie cylindra o średnicy prawie pół kilometra! Oczywiście, że da się to zbudować, ale będzie to bardzo trudne i bardzo, bardzo kosztowne.

Jednakże wysiłki mające na celu rozpoczęcie prac w tym kierunku już trwają. Dlatego w 2011 roku NASA zaproponowała projekt stacji kosmicznej, której jeden z modułów miałby się obracać, zapewniając sztuczną grawitację na poziomie 0,11-0,69 g. Projekt nazwano „Nautilus-X”. Średnica obrotowego modułu będzie wynosić 9,1 lub 12 metrów, a sam moduł będzie służył za miejsce do spania dla 6 astronautów.


Stacja ma służyć jako baza pośrednia dla długodystansowych lotów kosmicznych. Jednym z etapów projektu są testy części obrotowej na ISS, co będzie kosztować NASA 150 milionów dolarów i trzy lata pracy. Budowa całej stacji według projektu Nautilus-X będzie kosztować około 4 miliardy.

Statki kosmiczne ze sztuczną grawitacją są tuż za rogiem, chłopaki!

Wirówka w Centralnym Zakładzie Przetwórczym (Star City)

Pewnego razu w jednym z lokali CPC odbyła się specjalność odwirować o wadze 300 ton i średnicy 18 m. Służy do symulacji przeciążeń w warunkach lądowych, a w szczególności pozwala doświadczyć fizjologicznej nieważkości. Każdy, kto chce spróbować mocy 300-tonowej wirówki, przebiera się w kombinezon ciśnieniowy, a następnie siada na specjalnym krześle, do którego najpierw podłącza się liczne czujniki. Do wirówki doprowadza się w pełni wyposażone krzesło z siedzącym na nim ochotnikiem i po wjechaniu do środka włącza się silnik. Obracanie w wirówce trwa trzy minuty, w stanie nieważkości w tym przypadku osiąga się poprzez redystrybucję płynów w organizmie. Lekarze i instruktor będą monitorować odczyty czujnika przez wszystkie trzy minuty. Ale istnieje również awaryjny sposób, aby ostrzec o nieznośnych przeciążeniach: wewnątrz wirówki osoba musi mocno trzymać się specjalnej dźwigni. W przypadku zwolnienia lekarze i specjaliści otrzymają alarmowy sygnał o utracie przytomności i natychmiast wyłączą wirówkę.

Koszt usługi: 55 000 rubli na osobę

Tel.:

Hydrolab (Gwiezdne Miasto)

W tym roku mija trzydzieści lat, odkąd rozpoczęli szkolenie astronautów przed lotami w laboratorium wodnym Star City. Laboratorium to ogromny basen o długości 23 m i głębokości 12 m, na dnie którego znajduje się makieta ISS. To tutaj astronauci szkolą się przed pierwszym lotem w przestrzeń kosmiczną. Podobnie jak w innych atrakcjach CTC, każdy przechodzi obowiązkowe badania lekarskie, następnie słucha wykładu teoretycznego, po czym – a to trwa co najmniej pół godziny – zakłada skomplikowany, ciężki i niezwykle nieporęczny skafander kosmiczny, wyposażony w specjalne ołowiane obciążniki (wszystko waży około 200 kg). I dopiero wtedy za pomocą dźwigu ochotnicy są ostrożnie opuszczani na dół. Nurkowanie odbywa się pod okiem instruktora, który jednocześnie daje zadanie przeniesienia części modelu pod wodę z miejsca na miejsce. Dopiero na maksymalnej głębokości pojawia się uczucie nieważkości – podobne do tego, jakiego doświadcza pracujący astronauta przestrzeń kosmiczna. Cały proces trwa cztery godziny; osoba spędza dwie godziny pod wodą. Uwaga: zamówienia przyjmowane są dopiero w czerwcu.

Koszt usługi: 182 000 rubli na osobę

Tel.: 526 38 42, 526 38 79, 526 78 55

Lot na MiG-29

Innym sposobem na przeżycie stanu nieważkości jest wzięcie udziału w locie MiG-29. Podczas wykonywania figur ewolucje osoby w kabinie doświadczają nieważkości, choć tylko przez kilka sekund. Podobne loty dla ludności cywilnej organizowane są w Niżny Nowogród. Impreza trwa cały dzień i rozpoczyna się wcześnie rano: zaleca się przyjazd i zakwaterowanie w hotelu dzień wcześniej. W takim wypadku do hotelu przyjedzie instruktor i opowie o zbliżającym się programie. Rejestrację należy zgłosić z półtoramiesięcznym wyprzedzeniem, aby ochrona miała czas sprawdzić, czy przybysz nie jest szpiegiem. Każdy, kto został uznany za uczciwego obywatela, może wybrać jeden z trzech możliwych programów: lot do troposfery na wysokość 12 km, na wysokość 18 km oraz lot do stratosfery na wysokość 21 km. W tym drugim przypadku z iluminatora zobaczysz po jednej stronie rozgwieżdżone niebo, a po drugiej zaokrąglony kontur Ziemi. W zależności od wysokości loty trwają od 25 do 50 minut. Przed lotem każdy przechodzi pobieżne badanie lekarskie: lekarze sprawdzają ciśnienie i puls.

Koszt usługi: lot na wysokości 12 km – 380 000 rubli/os.; lot na wysokości 18 km – 480 000 rubli/os.; lot na wysokości 21 km – 595 000 rubli/os.

Tel.: 645 07 02

Loty na Ił-76

Choć może się wydawać, że Star City ma monopol na prawdziwą kosmiczną nieważkość, istnieje inny sposób na poznanie codziennego życia astronautów: lot Ił-76, radzieckim wojskowym samolotem transportowym. Obowiązują tu wszystkie zasady Centrum Szkolenia Kosmonautów: dokładne badanie lekarskie, a następnie przygotowanie przed lotem. Jeden lot trwa do półtorej godziny i w tym czasie, jak mówią organizatorzy, „wykonuje się aż dziesięć stanów nieważkości” po 25 sekund każdy. Nieważkość zastaje na pokładzie 15 śmiałków podczas lotu po tzw. krzywej Keplera. Zdaniem organizatorów turyści mogą zamówić na pokładzie filmowanie wideo, jednak tutaj należy być przygotowanym na pewne zdarzenia – wiele osób z przyzwyczajenia odczuwa mdłości. Uwaga: loty zostały tymczasowo zawieszone, ale obiecuje się, że wkrótce zostaną wznowione.

Koszt usługi: 1 800 000 dla grupy 15 osób

Tunel aerodynamiczny

Tunel aerodynamiczny pozwala poczuć się jak aeronauta: strumień powietrza unosi człowieka i zawiesza go w powietrzu, wrzucając w różne strony. Te wrażenia nie są oczywiście nieważkością w ścisłym tego słowa znaczeniu, ale tunel aerodynamiczny pozwala wznieść się na wysokość do 10 m przy szerokości przepływu 4 m. Główną zaletą tunelu aerodynamicznego w porównaniu do wszystkie powyższe metody to względna taniość i brak badań lekarskich. Co więcej, jest to całkowicie bezpieczne. Na przykład wielu skoczków spadochronowych trenuje w tunelach aerodynamicznych. W strefie lotów wszystkie ściany posiadają miękka tapicerka, nie ma żadnych twardych przedmiotów, a specjalna siatka ochronna amortyzuje upadek po wyłączeniu silnika. Dodatkowo w pobliżu zawsze znajduje się doświadczony instruktor, który co minutę kontroluje lot. Zalecany czas lotu dla dziewczynki wynosi pięć minut; dla mężczyzny - do dziesięciu. W tunelu aerodynamicznym mogą latać nawet dzieci (od 5 roku życia), gdyż nie wymaga to bycia sportowcem o niskim progu samozachowawczym. Zgodnie z harmonogramem osoby zainteresowane muszą uważnie wysłuchać instruktora, który szczegółowo opowie jak przebywać w obiekcie przepływ powietrza. Następnie trzeba ubrać się w specjalny kombinezon, założyć kask, potem mały trening i – startować! Uwaga: prędkość wiatru w tunelu aerodynamicznym sięga 200 km/h.

Koszt usługi: 4 minuty - 3500 rubli za osobę; 10 minut - 6500 rubli

Komora deprywacji sensorycznej (pływająca)

Inną okazją do znalezienia się w warunkowej nieważkości jest leżenie przez godzinę lub dwie w komorze deprywacji sensorycznej (komorze pływającej). Klientom zapewnia się, że „pływalność, jaką ciało nabywa dzięki roztworowi soli, niweluje działanie grawitacji, przybliżając człowieka do doświadczenia całkowitej nieważkości”. Zbiornik pływakowy o głębokości około 30 cm jest nieco szerszy niż łóżko podwójne; zawiera wodny roztwór przygotowany z 400 kg soli. Termostat utrzymuje stałą temperaturę około 35 stopni Celsjusza. Jest to uważane za optymalne reżim temperaturowy, w którym większość ludzi nie odczuwa ciepła ani zimna i szybko przestaje odczuwać kontakt wody z ciałem. Wewnątrz komory pływakowej człowiek jest odizolowany od bodźców zewnętrznych: nie przenikają do niej żadne dźwięki, żadne światło, żadne zapachy.

Koszt usługi: 2000 rubli za procedurę w ciągu 1 godziny