Как изменить гравитацию на земле

Даже человек, не интересующийся космосом, хоть раз видел фильм о космических путешествиях или читал о таких вещах в книгах. Практически во всех подобных произведениях люди ходят по кораблю, нормально спят, не испытывают проблем с приемом пищи. Это означает, что на этих – выдуманных – кораблях имеется искусственная гравитация. Большинство зрителей воспринимает это как нечто совершенно естественное, а ведь это совсем не так.

Искусственная гравитация

Так называют изменение (в любую сторону) привычной для нас гравитации путем применения различных способов. И делается это не только в фантастических произведениях, но и во вполне реальных земных ситуациях, чаще всего, для экспериментов.

В теории создание искусственной гравитации выглядит не так сложно. К примеру, воссоздать ее можно при помощи инерции, точнее, центробежной силы. Потребность в этой силе возникла не вчера – произошло это сразу, как только человек начал мечтать о длительных космических перелетах. Создание искусственной гравитации в космосе даст возможность избежать множества проблем, возникающих при продолжительном нахождении в невесомости. У космонавтов слабеют мускулы, кости становятся менее прочными. Путешествуя в таких условиях месяцы, можно получить атрофию некоторых мышц.

Таким образом, на сегодняшний день создание искусственной гравитации – задача первостепенной важности, освоение космоса без этого умения просто невозможно.

Матчасть

Даже те, кто знают физику лишь на уровне школьной программы, понимают, что гравитация – один из фундаментальных законов нашего мира: все тела взаимодействуют друг с другом, испытывая взаимное притяжение/отталкивание. Чем больше тело, тем выше его сила притяжения.

Земля для нашей реальности — объект очень массивный. Именно поэтому все без исключения тела вокруг к ней притягиваются.

Для нас это означает ускорение свободного падения, которое принято измерять в g, равное 9.8 метра за квадратную секунду. Это значит, что если бы под ногами у нас не было опоры, мы бы падали со скоростью, ежесекундно увеличивающейся на 9.8 метра.

Таким образом, только благодаря гравитации мы способны стоять, падать, нормально есть и пить, понимать, где находится верх, где низ. Если притяжение исчезнет – мы окажемся в невесомости.

Особенно хорошо знакомы с этим феноменом космонавты, оказывающиеся в космосе в состоянии парения – свободного падения.

Теоретически ученые знают, как создать искусственную гравитацию. Существует несколько методик.

Большая масса

Самый логичный вариант – сделать космический корабль настолько большим, чтобы на нем возникала искусственная гравитация. На корабле можно будет чувствовать себя комфортно, поскольку не будет потеряна ориентация в пространстве.

К сожалению, этот способ при современном развитии технологий нереален. Чтобы соорудить такой объект, требуется слишком много ресурсов. Кроме того, для его подъема потребуется невероятное количество энергии.

Ускорение

Казалось бы, если требуется достичь g, равного земному, нужно всего лишь придать кораблю плоскую (платформообразную) форму, и заставить его двигаться по перпендикуляру к плоскости с нужным ускорением. Таким путем будет получена искусственная гравитация, причем – идеальная.

Однако в реальности все гораздо сложнее.

В первую очередь стоит учесть топливный вопрос. Для того чтобы станция постоянно ускорялась, необходимо иметь бесперебойный источник питания. Даже если внезапно появится двигатель, не выбрасывающий материю, закон сохранения энергии останется в силе.

Вторая проблема заключается в самой идее постоянного ускорения. Согласно нашим знаниям и физическим законам, невозможно ускоряться до бесконечности.

Кроме того, такой транспорт не подходит для исследовательских миссий, поскольку он должен постоянно ускоряться – лететь. Он не сможет остановиться для изучения планеты, он даже медленно пролететь вокруг нее не сможет – надо ускоряться.

Таким образом, становится ясно, что и такая искусственная гравитация нам пока недоступна.

Карусель

Каждый знает, как вращение карусели воздействует на тело. Поэтому устройство искусственной гравитации по этому принципу кажется наиболее реальным.

Все, что находится в диаметре карусели, стремится выпасть из нее со скоростью, примерно равной скорости вращения. Выходит, что на тела действует сила, направленная вдоль радиуса вращающегося объекта. Это очень похоже на гравитацию.

Итак, требуется корабль, имеющий цилиндрическую форму. При этом он должен вращаться вокруг своей оси. Между прочим, искусственная гравитация на космическом корабле, созданная по этому принципу, достаточно часто демонстрируется в научно-фантастических фильмах.

Бочкообразный корабль, вращаясь вокруг продольной оси, создает центробежную силу, направление которой соответствует радиусу объекта. Чтобы вычислить получаемое ускорение, требуется разделить силу на массу.

Знающим физику людям посчитать это будет совсем не сложно: a = ω²R.

В этой формуле результат расчетов – ускорение, первая переменная – узловая скорость (измеряется в количестве радиан в секунду), вторая – радиус.

Согласно этому, для получения привычной нам g, необходимо грамотно сочетать угловую скорость и радиус космического транспорта.

Подобная проблема освещена в таких фильмах, как «Интерсолах», «Вавилон 5», «2001 год: Космическая одиссея» и подобных им. Во всех этих случаях искусственная гравитация приближена к земному ускорению свободного падения.

Как бы ни была хороша идея, реализовать ее достаточно сложно.

Проблемы метода «карусель»

Самая очевидная проблема освещена в «Космической одиссее». Радиус «космического перевозчика» составляет порядка 8 метров. Для того чтобы получить ускорение в 9.8, вращение должно происходить со скоростью, примерно, 10.5 оборота ежеминутно.

При указанных величинах проявляется «эффект Кориолиса», который заключается в том, что на различном удалении от пола действует разная сила. Она напрямую зависит от угловой скорости.

Выходит, искусственная гравитация в космосе создана будет, однако слишком быстрое вращение корпуса приведет к проблемам с внутренним ухом. Это, в свою очередь, вызывает нарушения равновесия, проблемы с вестибулярным аппаратом и прочие – аналогичные – трудности.

Возникновение этой преграды говорит о том, что подобная модель крайне неудачная.

Можно попробовать пойти от обратного, как поступили в романе «Мир-Кольцо». Тут корабль выполнен в форме кольца, радиус которого приближен к радиусу нашей орбиты (порядка 150 млн км). При таком размере скорости его вращения вполне достаточно, чтобы игнорировать эффект Кориолиса.

Можно предположить, что проблема решена, однако это совсем не так. Дело в том, что полный оборот этой конструкции вокруг своей оси занимает 9 дней. Это дает возможность предположить, что нагрузки окажутся слишком велики. Для того чтобы конструкция их выдержала, необходим очень крепкий материал, которым на сегодняшний день мы не располагаем. Кроме того, проблемой является количество материала и непосредственно процесс постройки.

В играх подобной тематики, как и в фильме «Вавилон 5», эти проблемы каким-то образом решены: вполне достаточна скорость вращения, эффект Кориолиса не существенен, гипотетически создать такой корабль возможно.

Однако даже такие миры имеют недостаток. Зовут его – момент импульса.

Корабль, вращаясь вокруг оси, превращается в огромный гироскоп. Как известно, заставить гироскоп отклониться от оси крайне сложно благодаря моменту импульса. Важно, чтобы его количество не покидало систему. Это означает, что задать направление этому объекту будет очень сложно. Однако такую проблему решить можно.

Решение проблемы

Искусственная гравитация на космической станции становится доступной, когда на помощь приходит «цилиндр О’Нила». Для создания этой конструкции необходимы одинаковые цилиндрические корабли, которые соединяют вдоль оси. Вращаться они должны в разные стороны. Результатом такой сборки является нулевой момент импульса, поэтому не должно возникнуть трудностей с приданием кораблю необходимого направления.

Если возможно сделать корабль радиусом порядка 500 метров, то он будет работать именно так, как и должен. При этом искусственная гравитация в космосе будет вполне комфортной и пригодной для длительных перелетов на кораблях или исследовательских станциях.

Space Engineers

Как создать искусственную гравитацию, известно создателям игры. Впрочем, в этом фантастическом мире гравитация – это не взаимное притяжение тел, но линейная сила, призванная ускорить предметы в заданном направлении. Притяжение тут не абсолютно, оно изменяется при перенаправлении источника.

Искусственная гравитация на космической станции создается путем использования специального генератора. Она равномерна и равнонаправленна в зоне действия генератора. Так, в реальном мире, попав под корабль, в котором установлен генератор, вы бы были притянуты к корпусу. Однако в игре герой будет падать до тех пор, пока не покинет периметр действия устройства.

На сегодняшний день искусственная гравитация в космосе, созданная таким устройством, для человечества недоступна. Однако даже убеленные сединами разработчики не перестают мечтать о ней.

Сферический генератор

Это более реалистичный вариант оборудования. При его установке гравитация имеет направление к генератору. Это дает возможность создать станцию, гравитация которой будет равна планетарной.

Центрифуга

Сегодня искусственная гравитация на Земле встречается в различных устройствах. Основаны они, большей частью, на инерции, поскольку эта сила ощущается нами аналогично гравитационному воздействию – организм не различает, какая причина вызывает ускорение. Как пример: человек, поднимающийся в лифте, испытывает на себе воздействие инерции. Глазами физика: подъем лифта добавляет к ускорению свободного падения ускорение кабины. При возвращении кабины к размеренному движению «прибавка» в весе исчезает, возвращая привычные ощущения.

Ученых давно интересует искусственная гравитация. Центрифуга используется для этих целей чаще всего. Этот метод подходит не только для космических кораблей, но и для наземных станций, в которых требуется изучать воздействие гравитации на человеческий организм.

Изучить на Земле, применять в…

Хотя изучение гравитации началось из космоса, это очень земная наука. Даже на сегодняшний день достижения в этой сфере нашли свое применение, например, в медицине. Зная, возможно ли создать искусственную гравитацию на планете, можно использовать ее для лечения проблем с двигательным аппаратом или нервной системы. Более того, изучением этой силы занимаются прежде всего на Земле. Это дает возможность космонавтам проводить эксперименты, оставаясь под пристальным вниманием врачей. Другое дело искусственная гравитация в космосе, там нет людей, способных помочь космонавтам при возникновении непредвиденной ситуации.

Имея в виду полную невесомость, нельзя брать в расчет спутник, находящийся на околоземной орбите. На эти объекты, пусть и в малой степени, воздействует земное притяжение. Силу тяжести, образующуюся в таких случаях, называют микрогравитацией. Реальную гравитацию испытывают только в аппарате, летящем с постоянной скоростью в открытом космосе. Впрочем, человеческий организм эту разницу не ощущает.

Испытать на себе невесомость можно при затяжном прыжке (до того, как купол раскроется) или во время параболического снижения самолета. Такие эксперименты часто ставят в США, но в самолете это ощущение длится только 40 секунд – это слишком мало для полноценного изучения.

В СССР еще в 1973 году знали, можно ли создать искусственную гравитацию. И не просто создавали ее, но и в некотором роде изменяли. Яркий пример искусственного уменьшения силы тяжести – сухое погружение, иммерсия. Для достижения необходимого эффекта требуется положить плотную пленку на поверхность воды. Человек размещается поверх нее. Под тяжестью тела организм погружается под воду, наверху остается лишь голова. Эта модель демонстрирует безопорность с пониженной гравитацией, которая характерна для океана.

Нет необходимости отправляться в космос, чтобы ощутить на себе воздействие противоположной невесомости силы – гипергравитации. При взлете и посадке космического корабля, в центрифуге перегрузку можно не только ощутить, но и изучить.

Лечение гравитацией

Гравитационная физика изучает в том числе и воздействие невесомости на организм человека, стремясь минимизировать последствия. Однако большое количество достижений этой науки способно пригодиться и обычным жителям планеты.

Большие надежды медики возлагают на исследования поведения мышечных ферментов при миопатии. Это тяжелое заболевание, ведущее к ранней смерти.

При активных физических занятиях в кровь здорового человека поступает большой объем фермента креатинофосфокиназы. Причина этого явления неясна, возможно, нагрузка воздействует на мембрану клеток таким образом, что она «дырявится». Больные миопатией получают тот же эффект без нагрузок. Наблюдения за космонавтами показывают, что в невесомости поступление активного фермента в кровь значительно снижается. Такое открытие позволяет предположить, что применение иммерсии позволит снизить негативное воздействие приводящих к миопатии факторов. В данный момент проводятся опыты на животных.

Лечение некоторых болезней уже сегодня проводится с использованием данных, полученных при изучении гравитации, в том числе искусственной. К примеру, проводится лечение ДЦП, инсультов, Паркинсона путем применения нагрузочных костюмов. Практически закончены исследования положительного воздействия опоры – пневматического башмака.

Полетим ли на Марс?

Последние достижения космонавтов дают надежду на реальность проекта. Имеется опыт медицинской поддержки человека при длительном нахождении вдали от Земли. Много пользы принесли и исследовательские полеты к Луне, сила гравитации на которой в 6 раз меньше нашей родной. Теперь космонавты и ученые ставят перед собой новую цель – Марс.

Прежде чем вставать в очередь за билетом на Красную планету, следует знать, что ожидает организм уже на первом этапе работы – в пути. В среднем дорога к пустынной планете займет полтора года – около 500 суток. Рассчитывать в пути придется только на свои собственные силы, помощи ждать просто неоткуда.

Подтачивать силы будут множество факторов: стресс, радиация, отсутствие магнитного поля. Самое главное же испытание для организма – изменение гравитации. В путешествии человек «ознакомится» с несколькими уровнями гравитации. В первую очередь это перегрузки при взлете. Затем – невесомость во время полета. После этого – гипогравитация в месте назначения, т. к. сила тяжести на Марсе менее 40% земной.

Как справляются с отрицательным воздействием невесомости в длительном перелете? Есть надежда, что разработки в области создания искусственной гравитации помогут решить этот вопрос в недалеком будущем. Опыты на крысах, путешествующих на «Космос-936» показывают, что этот прием не решает всех проблем.

Опыт ОС показал, что гораздо больше пользы для организма способно принести применение тренажерных комплексов, способных определить необходимую нагрузку для каждого космонавта индивидуально.

Пока считается, что на Марс полетят не только исследователи, но и туристы, желающие основать колонию на Красной планете. Для них, во всяком случае первое время, ощущения от нахождения в невесомости перевесят все доводы медиков о вреде длительного нахождения в таких условиях. Однако через несколько недель помощь потребуется и им, поэтому так важно суметь найти способ создать на космическом корабле искусственную гравитацию.

Итоги

Какие выводы можно сделать о создании искусственной гравитации в космосе?

Среди всех рассматриваемых в данный момент вариантов наиболее реалистично выглядит вращающаяся конструкция. Однако при нынешнем понимании физических законов это невозможно, поскольку корабль – это не полый цилиндр. Внутри него имеются перекрытия, мешающие воплощению идей.

Кроме того, радиус корабля должен быть настолько большим, чтобы эффект Кориолиса не оказывал существенного влияния.

Чтобы управлять чем-то подобным, требуется упомянутый выше цилиндр О’Нила, который даст возможность управлять кораблем. В этом случае повышаются шансы применения подобной конструкции для межпланетных перелетов с обеспечением команды комфортным уровнем гравитации.

До того как человечеству удастся претворить свои мечты в жизнь, хотелось бы видеть в фантастических произведениях чуточку большей реалистичности и еще большего знания законов физики.

From Wikipedia, the free encyclopedia

Artificial gravity is the creation of an inertial force that mimics the effects of a gravitational force, usually by rotation.^[1]
Artificial gravity, or rotational gravity, is thus the appearance of a centrifugal force in a rotating frame of reference (the transmission of centripetal acceleration via normal force in the non-rotating frame of reference), as opposed to the force experienced in linear acceleration, which by the equivalence principle is indistinguishable from gravity.
In a more general sense, «artificial gravity» may also refer to the effect of linear acceleration, e.g. by means of a rocket engine.^[1]

Rotational simulated gravity has been used in simulations to help astronauts train for extreme conditions.^[2]
Rotational simulated gravity has been proposed as a solution in human spaceflight to the adverse health effects caused by prolonged weightlessness.
However, there are no current practical outer space applications of artificial gravity for humans due to concerns about the size and cost of a spacecraft necessary to produce a useful centripetal force comparable to the gravitational field strength on Earth (g).^[3]
Scientists are concerned about the effect of such a system on the inner ear of the occupants. The concern is that using centripetal force to create artificial gravity will cause disturbances in the inner ear leading to nausea and disorientation. The adverse effects may prove intolerable for the occupants.^[4]

Centripetal force[edit]

In the context of a rotating space station, it is the radial force provided by the spacecraft’s hull that acts as centripetal force. Thus, the «gravity» force felt by an object is the centrifugal force perceived in the rotating frame of reference as pointing «downwards» towards the hull.

By Newton’s Third Law the value of little g (the perceived «downward» acceleration) is equal in magnitude and opposite in direction to the centripetal acceleration.

Differences from normal gravity[edit]

From the perspective of people rotating with the habitat, artificial gravity by rotation behaves similarly to normal gravity but with the following differences, which can be mitigated by increasing the radius of a space station.

• Centrifugal force varies with distance: Unlike real gravity, the apparent centrifugal force felt by observers in the habitat pushes radially outward from the axis, and the centrifugal force is directly proportional to the distance from the axis of the habitat. With a small radius of rotation, a standing person’s head would feel significantly less gravity than their feet.^[5] Likewise, passengers who move in a space station experience changes in apparent weight in different parts of the body.^[6]
• The Coriolis effect gives an apparent force that acts on objects that are moving relative to a rotating reference frame. This apparent force acts at right angles to the motion and the rotation axis and tends to curve the motion in the opposite sense to the habitat’s spin. If an astronaut inside a rotating artificial gravity environment moves towards or away from the axis of rotation, they will feel a force pushing them in or against the direction of spin. These forces act on the semicircular canals of the inner ear and can cause dizziness.^[7] Lengthening the period of rotation (lower spin rate) reduces the Coriolis force and its effects. It is generally believed that at 2 rpm or less, no adverse effects from the Coriolis forces will occur, although humans have been shown to adapt to rates as high as 23 rpm.^[8]
• Changes in the rotation axis or rate of a spin would cause a disturbance in the artificial gravity field and stimulate the semicircular canals (refer to above). Thus, the rotation of a space station would need to be adequately stabilized, and any operations to deliberately change the rotation would need to be done slowly enough to be imperceptible.^[7]

Human spaceflight[edit]

The Gemini 11 mission attempted to produce artificial gravity by rotating the capsule around the Agena Target Vehicle to which it was attached by a 36-meter tether. They were able to generate a small amount of artificial gravity, about 0.00015 g, by firing their side thrusters to slowly rotate the combined craft like a slow-motion pair of bolas.^[9] The resultant force was too small to be felt by either astronaut, but objects were observed moving towards the «floor» of the capsule.^[10]

Health benefits[edit]

Artificial gravity has been suggested as a solution to various health risks associated with spaceflight.^[11] In 1964, the Soviet space program believed that a human could not survive more than 14 days in space for fear that the heart and blood vessels would be unable to adapt to the weightless conditions.^[12] This fear was eventually discovered to be unfounded as spaceflights have now lasted up to 437 consecutive days,^[13] with missions aboard the International Space Station commonly lasting 6 months. However, the question of human safety in space did launch an investigation into the physical effects of prolonged exposure to weightlessness. In June 1991, a Spacelab Life Sciences 1 flight performed 18 experiments on two men and two women over nine days. In an environment without gravity, it was concluded that the response of white blood cells and muscle mass decreased. Additionally, within the first 24 hours spent in a weightless environment, blood volume decreased by 10%.^[14][3][1] Long weightless periods can cause brain swelling and eyesight problems.^[15] Upon return to earth, the effects of prolonged weightlessness continue to affect the human body as fluids pool back to the lower body, the heart rate rises, a drop in blood pressure occurs and there is a reduced tolerance for exercise.^[14]

Artificial gravity, for its ability to mimic the behavior of gravity on the human body, has been suggested as one of the most encompassing manners of combating the physical effects inherent in weightless environments. Other measures that have been suggested as symptomatic treatments include exercise, diet, and Pingvin suits. However, criticism of those methods lies in the fact that they do not fully eliminate health problems and require a variety of solutions to address all issues. Artificial gravity, in contrast, would remove the weightlessness inherent in space travel. By implementing artificial gravity, space travelers would never have to experience weightlessness or the associated side effects.^[1] Especially in a modern-day six-month journey to Mars, exposure to artificial gravity is suggested in either a continuous or intermittent form to prevent extreme debilitation to the astronauts during travel.^[11]

Proposals[edit]

Several proposals have incorporated artificial gravity into their design:

• Discovery II: a 2005 vehicle proposal capable of delivering a 172-metric-ton crew to Jupiter’s orbit in 118 days. A very small portion of the 1,690-metric-ton craft would incorporate a centrifugal crew station.^[16]
• Multi-Mission Space Exploration Vehicle (MMSEV): a 2011 NASA proposal for a long-duration crewed space transport vehicle; it included a rotational artificial gravity space habitat intended to promote crew health for a crew of up to six persons on missions of up to two years in duration. The torus-ring centrifuge would utilize both standard metal-frame and inflatable spacecraft structures and would provide 0.11 to 0.69 g if built with the 40 feet (12 m) diameter option.^[17][18]
• ISS Centrifuge Demo: a 2011 NASA proposal for a demonstration project preparatory to the final design of the larger torus centrifuge space habitat for the Multi-Mission Space Exploration Vehicle. The structure would have an outside diameter of 30 feet (9.1 m) with a ring interior cross-section diameter of 30 inches (760 mm). It would provide 0.08 to 0.51 g partial gravity. This test and evaluation centrifuge would have the capability to become a Sleep Module for the ISS crew.^[17]

• Mars Direct: A plan for a crewed Mars mission created by NASA engineers Robert Zubrin and David Baker in 1990, later expanded upon in Zubrin’s 1996 book The Case for Mars. The «Mars Habitat Unit», which would carry astronauts to Mars to join the previously launched «Earth Return Vehicle», would have had artificial gravity generated during flight by tying the spent upper stage of the booster to the Habitat Unit, and setting them both rotating about a common axis.^[19]
• The proposed Tempo3 mission rotates two halves of a spacecraft connected by a tether to test the feasibility of simulating gravity on a crewed mission to Mars.^[20]
• The Mars Gravity Biosatellite was a proposed mission meant to study the effect of artificial gravity on mammals. An artificial gravity field of 0.38 g (equivalent to Mars’s surface gravity) was to be produced by rotation (32 rpm, radius of ca. 30  cm). Fifteen mice would have orbited Earth (Low Earth orbit) for five weeks and then land alive.^[21] However, the program was canceled on 24 June 2009, due to a lack of funding and shifting priorities at NASA.^[22]

Issues with implementation[edit]

Some of the reasons that artificial gravity remains unused today in spaceflight trace back to the problems inherent in implementation. One of the realistic methods of creating artificial gravity is the centrifugal effect caused by the centripetal force of the floor of a rotating structure pushing up on the person. In that model, however, issues arise in the size of the spacecraft. As expressed by John Page and Matthew Francis, the smaller a spacecraft (the shorter the radius of rotation), the more rapid the rotation that is required. As such, to simulate gravity, it would be better to utilize a larger spacecraft that rotates slowly. The requirements on size about rotation are due to the differing forces on parts of the body at different distances from the axis of rotation. If parts of the body closer to the rotational axis experience a force that is significantly different from parts farther from the axis, then this could have adverse effects. Additionally, questions remain as to what the best way is to initially set the rotating motion in place without disturbing the stability of the whole spacecraft’s orbit. At the moment, there is not a ship massive enough to meet the rotation requirements, and the costs associated with building, maintaining, and launching such a craft are extensive.^[3]

In general, with the limited health effects present in shorter spaceflights, as well as the high cost of research, the application of artificial gravity is often stunted and sporadic.^[1][14]

In science fiction[edit]

Several science fiction novels, films, and series have featured artificial gravity production. In the movie 2001: A Space Odyssey, a rotating centrifuge in the Discovery spacecraft provides artificial gravity.
In the novel The Martian, the Hermes spacecraft achieves artificial gravity by design; it employs a ringed structure, at whose periphery forces around 40% of Earth’s gravity are experienced, similar to Mars’ gravity. The movie Interstellar features a spacecraft called the Endurance that can rotate on its central axis to create artificial gravity, controlled by retro thrusters on the ship. The 2021 film Stowaway features the upper stage of a launch vehicle connected by 450-meter long tethers to the ship’s main hull, acting as a counterweight for inertia-based artificial gravity.^[23]

Linear acceleration[edit]

Linear acceleration is another method of generating artificial gravity, by using the thrust from a spacecraft’s engines to create the illusion of being under a gravitational pull. A spacecraft under constant acceleration in a straight line would have the appearance of a gravitational pull in the direction opposite to that of the acceleration, as the thrust from the engines would cause the spacecraft to «push» itself up into the objects and persons inside of the vessel, thus creating the feeling of weight. This is because of Newton’s third law: the weight that one would feel standing in a linearly accelerating spacecraft would not be a true gravitational pull, but simply the reaction of oneself pushing against the craft’s hull as it pushes back. Similarly, objects that would otherwise be free-floating within the spacecraft if it were not accelerating would «fall» towards the engines when it started accelerating, as a consequence of Newton’s first law: the floating object would remain at rest, while the spacecraft would accelerate towards it, and appear to an observer within that the object was «falling».

To emulate artificial gravity on Earth, spacecraft using linear acceleration gravity may be built similar to a skyscraper, with its engines as the bottom «floor». If the spacecraft were to accelerate at the rate of 1 g—Earth’s gravitational pull—the individuals inside would be pressed into the hull at the same force, and thus be able to walk and behave as if they were on Earth.

This form of artificial gravity is desirable because it could functionally create the illusion of a gravity field that is uniform and unidirectional throughout a spacecraft, without the need for large, spinning rings, whose fields may not be uniform, not unidirectional with respect to the spacecraft, and require constant rotation. This would also have the advantage of relatively high speed: a spaceship accelerating at 1 g, 9.8 m/s², for the first half of the journey, and then decelerating for the other half, could reach Mars within a few days.^[24] Similarly, a hypothetical space travel using constant acceleration of 1 g for one year would reach relativistic speeds and allow for a round trip to the nearest star, Proxima Centauri. As such, low-impulse but long-term linear acceleration has been proposed for various interplanetary missions. For example, even heavy (100 ton) cargo payloads to Mars could be transported to Mars in 27 months and retain approximately 55 percent of the LEO vehicle mass upon arrival into a Mars orbit, providing a low-gravity gradient to the spacecraft during the entire journey.^[25]

This form of gravity is not without challenges, however. At present, the only practical engines that could propel a vessel fast enough to reach speeds comparable to Earth’s gravitational pull require chemical reaction rockets, which expel reaction mass to achieve thrust, and thus the acceleration could only last for as long as a vessel had fuel. The vessel would also need to be constantly accelerating and at a constant speed to maintain the gravitational effect, and thus would not have gravity while stationary, and could experience significant swings in g-forces if the vessel were to accelerate above or below 1 g. Further, for point-to-point journeys, such as Earth-Mars transits, vessels would need to constantly accelerate for half the journey, turn off their engines, perform a 180° flip, reactivate their engines, and then begin decelerating towards the target destination, requiring everything inside the vessel to experience weightlessness and possibly be secured down for the duration of the flip.

A propulsion system with a very high specific impulse (that is, good efficiency in the use of reaction mass that must be carried along and used for propulsion on the journey) could accelerate more slowly producing useful levels of artificial gravity for long periods of time. A variety of electric propulsion systems provide examples. Two examples of this long-duration, low-thrust, high-impulse propulsion that have either been practically used on spacecraft or are planned in for near-term in-space use are Hall effect thrusters and Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rockets (VASIMR). Both provide very high specific impulse but relatively low thrust, compared to the more typical chemical reaction rockets. They are thus ideally suited for long-duration firings which would provide limited amounts of, but long-term, milli-g levels of artificial gravity in spacecraft.^{[citation needed]}

In a number of science fiction plots, acceleration is used to produce artificial gravity for interstellar spacecraft, propelled by as yet theoretical or hypothetical means.

This effect of linear acceleration is well understood, and is routinely used for 0 g cryogenic fluid management for post-launch (subsequent) in-space firings of upper stage rockets.^[26]

Roller coasters, especially launched roller coasters or those that rely on electromagnetic propulsion, can provide linear acceleration «gravity», and so can relatively high acceleration vehicles, such as sports cars. Linear acceleration can be used to provide air-time on roller coasters and other thrill rides.

Simulating lunar gravity[edit]

In January 2022 China was reported by the South China Morning Post to have built a small (60 centimetres (24 in) diameter) research facility to simulate low lunar gravity with the help of magnets.^[27][28] The facility was reportedly partly inspired by the work of Andre Geim (who later shared the 2010 Nobel Prize in Physics for his research on graphene) and Michael Berry, who both shared the Ig Nobel Prize in Physics in 2000 for the magnetic levitation of a frog.^[27][28]

Simulating microgravity[edit]

Parabolic flight[edit]

Weightless Wonder is the nickname for the NASA aircraft that flies parabolic trajectories. Briefly, it provides a nearly weightless environment to train astronauts, conduct research, and film motion pictures. The parabolic trajectory creates a vertical linear acceleration that matches that of gravity, giving zero-g for a short time, usually 20–30 seconds, followed by approximately 1.8g for a similar period. The nickname Vomit Comet is also used to refer to motion sickness that aircraft passengers often experience during these parabolic trajectories. Such reduced gravity aircraft are nowadays operated by several organizations worldwide.^{[citation needed]}

Neutral buoyancy[edit]

The Neutral Buoyancy Laboratory (NBL) is an astronaut training facility at the Sonny Carter Training Facility at the NASA Johnson Space Center in Houston, Texas.^[29] The NBL is a large indoor pool of water, the largest in the world,^[30] in which astronauts may perform simulated EVA tasks in preparation for space missions. The NBL contains full-sized mock-ups of the Space Shuttle cargo bay, flight payloads, and the International Space Station (ISS).^[31]

The principle of neutral buoyancy is used to simulate the weightless environment of space.^[29] The suited astronauts are lowered into the pool using an overhead crane and their weight is adjusted by support divers so that they experience no buoyant force and no rotational moment about their center of mass.^[29] The suits worn in the NBL are down-rated from fully flight-rated EMU suits like those in use on the space shuttle and International Space Station.

The NBL tank is 202 feet (62 m) in length, 102 feet (31 m) wide, and 40 feet 6 inches (12.34 m) deep, and contains 6.2 million gallons (23.5 million liters) of water.^[31][32] Divers breathe nitrox while working in the tank.^[33][34]

Neutral buoyancy in a pool is not weightlessness, since the balance organs in the inner ear still sense the up-down direction of gravity. Also, there is a significant amount of drag presented by water.^[35] Generally, drag effects are minimized by doing tasks slowly in the water. Another difference between neutral buoyancy simulation in a pool and actual EVA during spaceflight is that the temperature of the pool and the lighting conditions are maintained constant.

Speculative or fictional mechanisms[edit]

In science fiction, artificial gravity (or cancellation of gravity) or «paragravity»^[36][37] is sometimes present in spacecraft that are neither rotating nor accelerating. At present, there is no confirmed technique as such that can simulate gravity other than actual mass or acceleration. There have been many claims over the years of such a device. Eugene Podkletnov, a Russian engineer, has claimed since the early 1990s to have made such a device consisting of a spinning superconductor producing a powerful «gravitomagnetic field», but there has been no verification or even negative results from third parties. In 2006, a research group funded by ESA claimed to have created a similar device that demonstrated positive results for the production of gravitomagnetism, although it produced only 0.0001 g.^[38] This result has not been replicated.

See also[edit]

References[edit]

External links[edit]

• List of peer review papers on artificial gravity
• TEDx talk about artificial gravity
• Revolving artificial gravity calculator
• Overview of artificial gravity in Sci-Fi and Space Science
• NASA’s Java simulation of artificial gravity
• Variable Gravity Research Facility (xGRF), concept with tethered rotating satellites, perhaps a Bigelow expandable module and a spent upper stage as a counterweight

From Wikipedia, the free encyclopedia

Artificial gravity is the creation of an inertial force that mimics the effects of a gravitational force, usually by rotation.^[1]
Artificial gravity, or rotational gravity, is thus the appearance of a centrifugal force in a rotating frame of reference (the transmission of centripetal acceleration via normal force in the non-rotating frame of reference), as opposed to the force experienced in linear acceleration, which by the equivalence principle is indistinguishable from gravity.
In a more general sense, «artificial gravity» may also refer to the effect of linear acceleration, e.g. by means of a rocket engine.^[1]

Rotational simulated gravity has been used in simulations to help astronauts train for extreme conditions.^[2]
Rotational simulated gravity has been proposed as a solution in human spaceflight to the adverse health effects caused by prolonged weightlessness.
However, there are no current practical outer space applications of artificial gravity for humans due to concerns about the size and cost of a spacecraft necessary to produce a useful centripetal force comparable to the gravitational field strength on Earth (g).^[3]
Scientists are concerned about the effect of such a system on the inner ear of the occupants. The concern is that using centripetal force to create artificial gravity will cause disturbances in the inner ear leading to nausea and disorientation. The adverse effects may prove intolerable for the occupants.^[4]

Centripetal force[edit]

In the context of a rotating space station, it is the radial force provided by the spacecraft’s hull that acts as centripetal force. Thus, the «gravity» force felt by an object is the centrifugal force perceived in the rotating frame of reference as pointing «downwards» towards the hull.

By Newton’s Third Law the value of little g (the perceived «downward» acceleration) is equal in magnitude and opposite in direction to the centripetal acceleration.

Differences from normal gravity[edit]

From the perspective of people rotating with the habitat, artificial gravity by rotation behaves similarly to normal gravity but with the following differences, which can be mitigated by increasing the radius of a space station.

• Centrifugal force varies with distance: Unlike real gravity, the apparent centrifugal force felt by observers in the habitat pushes radially outward from the axis, and the centrifugal force is directly proportional to the distance from the axis of the habitat. With a small radius of rotation, a standing person’s head would feel significantly less gravity than their feet.^[5] Likewise, passengers who move in a space station experience changes in apparent weight in different parts of the body.^[6]
• The Coriolis effect gives an apparent force that acts on objects that are moving relative to a rotating reference frame. This apparent force acts at right angles to the motion and the rotation axis and tends to curve the motion in the opposite sense to the habitat’s spin. If an astronaut inside a rotating artificial gravity environment moves towards or away from the axis of rotation, they will feel a force pushing them in or against the direction of spin. These forces act on the semicircular canals of the inner ear and can cause dizziness.^[7] Lengthening the period of rotation (lower spin rate) reduces the Coriolis force and its effects. It is generally believed that at 2 rpm or less, no adverse effects from the Coriolis forces will occur, although humans have been shown to adapt to rates as high as 23 rpm.^[8]
• Changes in the rotation axis or rate of a spin would cause a disturbance in the artificial gravity field and stimulate the semicircular canals (refer to above). Thus, the rotation of a space station would need to be adequately stabilized, and any operations to deliberately change the rotation would need to be done slowly enough to be imperceptible.^[7]

Human spaceflight[edit]

The Gemini 11 mission attempted to produce artificial gravity by rotating the capsule around the Agena Target Vehicle to which it was attached by a 36-meter tether. They were able to generate a small amount of artificial gravity, about 0.00015 g, by firing their side thrusters to slowly rotate the combined craft like a slow-motion pair of bolas.^[9] The resultant force was too small to be felt by either astronaut, but objects were observed moving towards the «floor» of the capsule.^[10]

Health benefits[edit]

Artificial gravity has been suggested as a solution to various health risks associated with spaceflight.^[11] In 1964, the Soviet space program believed that a human could not survive more than 14 days in space for fear that the heart and blood vessels would be unable to adapt to the weightless conditions.^[12] This fear was eventually discovered to be unfounded as spaceflights have now lasted up to 437 consecutive days,^[13] with missions aboard the International Space Station commonly lasting 6 months. However, the question of human safety in space did launch an investigation into the physical effects of prolonged exposure to weightlessness. In June 1991, a Spacelab Life Sciences 1 flight performed 18 experiments on two men and two women over nine days. In an environment without gravity, it was concluded that the response of white blood cells and muscle mass decreased. Additionally, within the first 24 hours spent in a weightless environment, blood volume decreased by 10%.^[14][3][1] Long weightless periods can cause brain swelling and eyesight problems.^[15] Upon return to earth, the effects of prolonged weightlessness continue to affect the human body as fluids pool back to the lower body, the heart rate rises, a drop in blood pressure occurs and there is a reduced tolerance for exercise.^[14]

Artificial gravity, for its ability to mimic the behavior of gravity on the human body, has been suggested as one of the most encompassing manners of combating the physical effects inherent in weightless environments. Other measures that have been suggested as symptomatic treatments include exercise, diet, and Pingvin suits. However, criticism of those methods lies in the fact that they do not fully eliminate health problems and require a variety of solutions to address all issues. Artificial gravity, in contrast, would remove the weightlessness inherent in space travel. By implementing artificial gravity, space travelers would never have to experience weightlessness or the associated side effects.^[1] Especially in a modern-day six-month journey to Mars, exposure to artificial gravity is suggested in either a continuous or intermittent form to prevent extreme debilitation to the astronauts during travel.^[11]

Proposals[edit]

Several proposals have incorporated artificial gravity into their design:

• Discovery II: a 2005 vehicle proposal capable of delivering a 172-metric-ton crew to Jupiter’s orbit in 118 days. A very small portion of the 1,690-metric-ton craft would incorporate a centrifugal crew station.^[16]
• Multi-Mission Space Exploration Vehicle (MMSEV): a 2011 NASA proposal for a long-duration crewed space transport vehicle; it included a rotational artificial gravity space habitat intended to promote crew health for a crew of up to six persons on missions of up to two years in duration. The torus-ring centrifuge would utilize both standard metal-frame and inflatable spacecraft structures and would provide 0.11 to 0.69 g if built with the 40 feet (12 m) diameter option.^[17][18]
• ISS Centrifuge Demo: a 2011 NASA proposal for a demonstration project preparatory to the final design of the larger torus centrifuge space habitat for the Multi-Mission Space Exploration Vehicle. The structure would have an outside diameter of 30 feet (9.1 m) with a ring interior cross-section diameter of 30 inches (760 mm). It would provide 0.08 to 0.51 g partial gravity. This test and evaluation centrifuge would have the capability to become a Sleep Module for the ISS crew.^[17]

• Mars Direct: A plan for a crewed Mars mission created by NASA engineers Robert Zubrin and David Baker in 1990, later expanded upon in Zubrin’s 1996 book The Case for Mars. The «Mars Habitat Unit», which would carry astronauts to Mars to join the previously launched «Earth Return Vehicle», would have had artificial gravity generated during flight by tying the spent upper stage of the booster to the Habitat Unit, and setting them both rotating about a common axis.^[19]
• The proposed Tempo3 mission rotates two halves of a spacecraft connected by a tether to test the feasibility of simulating gravity on a crewed mission to Mars.^[20]
• The Mars Gravity Biosatellite was a proposed mission meant to study the effect of artificial gravity on mammals. An artificial gravity field of 0.38 g (equivalent to Mars’s surface gravity) was to be produced by rotation (32 rpm, radius of ca. 30  cm). Fifteen mice would have orbited Earth (Low Earth orbit) for five weeks and then land alive.^[21] However, the program was canceled on 24 June 2009, due to a lack of funding and shifting priorities at NASA.^[22]

Issues with implementation[edit]

Some of the reasons that artificial gravity remains unused today in spaceflight trace back to the problems inherent in implementation. One of the realistic methods of creating artificial gravity is the centrifugal effect caused by the centripetal force of the floor of a rotating structure pushing up on the person. In that model, however, issues arise in the size of the spacecraft. As expressed by John Page and Matthew Francis, the smaller a spacecraft (the shorter the radius of rotation), the more rapid the rotation that is required. As such, to simulate gravity, it would be better to utilize a larger spacecraft that rotates slowly. The requirements on size about rotation are due to the differing forces on parts of the body at different distances from the axis of rotation. If parts of the body closer to the rotational axis experience a force that is significantly different from parts farther from the axis, then this could have adverse effects. Additionally, questions remain as to what the best way is to initially set the rotating motion in place without disturbing the stability of the whole spacecraft’s orbit. At the moment, there is not a ship massive enough to meet the rotation requirements, and the costs associated with building, maintaining, and launching such a craft are extensive.^[3]

In general, with the limited health effects present in shorter spaceflights, as well as the high cost of research, the application of artificial gravity is often stunted and sporadic.^[1][14]

In science fiction[edit]

Several science fiction novels, films, and series have featured artificial gravity production. In the movie 2001: A Space Odyssey, a rotating centrifuge in the Discovery spacecraft provides artificial gravity.
In the novel The Martian, the Hermes spacecraft achieves artificial gravity by design; it employs a ringed structure, at whose periphery forces around 40% of Earth’s gravity are experienced, similar to Mars’ gravity. The movie Interstellar features a spacecraft called the Endurance that can rotate on its central axis to create artificial gravity, controlled by retro thrusters on the ship. The 2021 film Stowaway features the upper stage of a launch vehicle connected by 450-meter long tethers to the ship’s main hull, acting as a counterweight for inertia-based artificial gravity.^[23]

Linear acceleration[edit]

Linear acceleration is another method of generating artificial gravity, by using the thrust from a spacecraft’s engines to create the illusion of being under a gravitational pull. A spacecraft under constant acceleration in a straight line would have the appearance of a gravitational pull in the direction opposite to that of the acceleration, as the thrust from the engines would cause the spacecraft to «push» itself up into the objects and persons inside of the vessel, thus creating the feeling of weight. This is because of Newton’s third law: the weight that one would feel standing in a linearly accelerating spacecraft would not be a true gravitational pull, but simply the reaction of oneself pushing against the craft’s hull as it pushes back. Similarly, objects that would otherwise be free-floating within the spacecraft if it were not accelerating would «fall» towards the engines when it started accelerating, as a consequence of Newton’s first law: the floating object would remain at rest, while the spacecraft would accelerate towards it, and appear to an observer within that the object was «falling».

To emulate artificial gravity on Earth, spacecraft using linear acceleration gravity may be built similar to a skyscraper, with its engines as the bottom «floor». If the spacecraft were to accelerate at the rate of 1 g—Earth’s gravitational pull—the individuals inside would be pressed into the hull at the same force, and thus be able to walk and behave as if they were on Earth.

This form of artificial gravity is desirable because it could functionally create the illusion of a gravity field that is uniform and unidirectional throughout a spacecraft, without the need for large, spinning rings, whose fields may not be uniform, not unidirectional with respect to the spacecraft, and require constant rotation. This would also have the advantage of relatively high speed: a spaceship accelerating at 1 g, 9.8 m/s², for the first half of the journey, and then decelerating for the other half, could reach Mars within a few days.^[24] Similarly, a hypothetical space travel using constant acceleration of 1 g for one year would reach relativistic speeds and allow for a round trip to the nearest star, Proxima Centauri. As such, low-impulse but long-term linear acceleration has been proposed for various interplanetary missions. For example, even heavy (100 ton) cargo payloads to Mars could be transported to Mars in 27 months and retain approximately 55 percent of the LEO vehicle mass upon arrival into a Mars orbit, providing a low-gravity gradient to the spacecraft during the entire journey.^[25]

This form of gravity is not without challenges, however. At present, the only practical engines that could propel a vessel fast enough to reach speeds comparable to Earth’s gravitational pull require chemical reaction rockets, which expel reaction mass to achieve thrust, and thus the acceleration could only last for as long as a vessel had fuel. The vessel would also need to be constantly accelerating and at a constant speed to maintain the gravitational effect, and thus would not have gravity while stationary, and could experience significant swings in g-forces if the vessel were to accelerate above or below 1 g. Further, for point-to-point journeys, such as Earth-Mars transits, vessels would need to constantly accelerate for half the journey, turn off their engines, perform a 180° flip, reactivate their engines, and then begin decelerating towards the target destination, requiring everything inside the vessel to experience weightlessness and possibly be secured down for the duration of the flip.

A propulsion system with a very high specific impulse (that is, good efficiency in the use of reaction mass that must be carried along and used for propulsion on the journey) could accelerate more slowly producing useful levels of artificial gravity for long periods of time. A variety of electric propulsion systems provide examples. Two examples of this long-duration, low-thrust, high-impulse propulsion that have either been practically used on spacecraft or are planned in for near-term in-space use are Hall effect thrusters and Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rockets (VASIMR). Both provide very high specific impulse but relatively low thrust, compared to the more typical chemical reaction rockets. They are thus ideally suited for long-duration firings which would provide limited amounts of, but long-term, milli-g levels of artificial gravity in spacecraft.^{[citation needed]}

In a number of science fiction plots, acceleration is used to produce artificial gravity for interstellar spacecraft, propelled by as yet theoretical or hypothetical means.

This effect of linear acceleration is well understood, and is routinely used for 0 g cryogenic fluid management for post-launch (subsequent) in-space firings of upper stage rockets.^[26]

Roller coasters, especially launched roller coasters or those that rely on electromagnetic propulsion, can provide linear acceleration «gravity», and so can relatively high acceleration vehicles, such as sports cars. Linear acceleration can be used to provide air-time on roller coasters and other thrill rides.

Simulating lunar gravity[edit]

In January 2022 China was reported by the South China Morning Post to have built a small (60 centimetres (24 in) diameter) research facility to simulate low lunar gravity with the help of magnets.^[27][28] The facility was reportedly partly inspired by the work of Andre Geim (who later shared the 2010 Nobel Prize in Physics for his research on graphene) and Michael Berry, who both shared the Ig Nobel Prize in Physics in 2000 for the magnetic levitation of a frog.^[27][28]

Simulating microgravity[edit]

Parabolic flight[edit]

Weightless Wonder is the nickname for the NASA aircraft that flies parabolic trajectories. Briefly, it provides a nearly weightless environment to train astronauts, conduct research, and film motion pictures. The parabolic trajectory creates a vertical linear acceleration that matches that of gravity, giving zero-g for a short time, usually 20–30 seconds, followed by approximately 1.8g for a similar period. The nickname Vomit Comet is also used to refer to motion sickness that aircraft passengers often experience during these parabolic trajectories. Such reduced gravity aircraft are nowadays operated by several organizations worldwide.^{[citation needed]}

Neutral buoyancy[edit]

The Neutral Buoyancy Laboratory (NBL) is an astronaut training facility at the Sonny Carter Training Facility at the NASA Johnson Space Center in Houston, Texas.^[29] The NBL is a large indoor pool of water, the largest in the world,^[30] in which astronauts may perform simulated EVA tasks in preparation for space missions. The NBL contains full-sized mock-ups of the Space Shuttle cargo bay, flight payloads, and the International Space Station (ISS).^[31]

The principle of neutral buoyancy is used to simulate the weightless environment of space.^[29] The suited astronauts are lowered into the pool using an overhead crane and their weight is adjusted by support divers so that they experience no buoyant force and no rotational moment about their center of mass.^[29] The suits worn in the NBL are down-rated from fully flight-rated EMU suits like those in use on the space shuttle and International Space Station.

The NBL tank is 202 feet (62 m) in length, 102 feet (31 m) wide, and 40 feet 6 inches (12.34 m) deep, and contains 6.2 million gallons (23.5 million liters) of water.^[31][32] Divers breathe nitrox while working in the tank.^[33][34]

Neutral buoyancy in a pool is not weightlessness, since the balance organs in the inner ear still sense the up-down direction of gravity. Also, there is a significant amount of drag presented by water.^[35] Generally, drag effects are minimized by doing tasks slowly in the water. Another difference between neutral buoyancy simulation in a pool and actual EVA during spaceflight is that the temperature of the pool and the lighting conditions are maintained constant.

Speculative or fictional mechanisms[edit]

In science fiction, artificial gravity (or cancellation of gravity) or «paragravity»^[36][37] is sometimes present in spacecraft that are neither rotating nor accelerating. At present, there is no confirmed technique as such that can simulate gravity other than actual mass or acceleration. There have been many claims over the years of such a device. Eugene Podkletnov, a Russian engineer, has claimed since the early 1990s to have made such a device consisting of a spinning superconductor producing a powerful «gravitomagnetic field», but there has been no verification or even negative results from third parties. In 2006, a research group funded by ESA claimed to have created a similar device that demonstrated positive results for the production of gravitomagnetism, although it produced only 0.0001 g.^[38] This result has not been replicated.

See also[edit]

References[edit]

External links[edit]

• List of peer review papers on artificial gravity
• TEDx talk about artificial gravity
• Revolving artificial gravity calculator
• Overview of artificial gravity in Sci-Fi and Space Science
• NASA’s Java simulation of artificial gravity
• Variable Gravity Research Facility (xGRF), concept with tethered rotating satellites, perhaps a Bigelow expandable module and a spent upper stage as a counterweight

Искусственная гравитация может произвести революцию в освоении космоса и космическом туризме.

Искусственная гравитация – это создание силы инерции на космическом корабле для имитации силы гравитации. Эта концепция часто встречается в научно-фантастических шоу, таких как “Звёздный путь”, но не ограничивается ими, и исследователи в настоящее время работают над методами создания искусственной гравитации в космосе.

Создание искусственной гравитации не только упростило бы следующую эру освоения космоса, сделав задачи более простыми, но также имело бы решающее значение для потенциального космического туризма.

Воздействие микрогравитации в космосе на самом деле может быть вредным для людей, поэтому, когда мы смотрим на более длительные миссии с экипажем, в том числе на Марс, искусственная гравитация может иметь важное значение для здоровья наших астронавтов.

Создание искусственной гравитации

В своей специальной теории относительности 1905 года Альберт Эйнштейн писал, что гравитация и ускорение на самом деле неразличимы. Это означает, что в ракете, летящей с ускорением 9,81 метра в секунду в квадрате, астронавт почувствует, что его тело приковано к полу, как на его родной планете.

Проблема в том, что вы не можете так ускоряться постоянно, особенно на орбитальной космической станции. К счастью, используя центробежную силу, мы можем создать нечто, эквивалентное гравитации на Земле.

Одним из возможных способов создания искусственной гравитации в космосе является использование технологии, называемой цилиндром О’Нила. Названный в честь физика, предложившего их, Джерарда О’Нила, кораблю состоит из пары массивных цилиндров, которые вращаются в противоположных направлениях, что позволяет им постоянно быть направленными к Солнцу, имитируя гравитацию.

Джефф Безос, владелец компании по исследованию космоса Blue Origin, предложил цилиндры О’Нила в качестве основы плавучих космических колоний, позволяющих триллионам людей жить на орбите.

Помимо того, что они далеки от любого практического применения, 32,2 километра в длину и 6,4 километра в диаметре – рассчитаны на размещение нескольких миллионов человек – цилиндры О’Нила слишком велики для нас, с нашими сегодняшними технологиями.

У исследователей из Университета Боулдера в Колорадо есть предложение меньшего масштаба – вращающиеся системы, которые могли бы поместиться внутри помещений космического корабля.

Хотя это не обеспечит искусственную гравитацию для всего корабля или станции, это позволит космическим путешественникам провести некоторое время, испытывая гравитационное поле, более похожее на земное.

Система также использует центробежное ускорение, воспроизводя гравитационное поле в 1G – такое же, как на Земле – с астронавтами, лежащими в центрифуге с коротким радиусом для быстрого вращения.

Однако вращающиеся астронавты могут быть не идеальным решением. Любой, кто слишком много раз катался на чайных чашках, может сказать вам, что этот метод имеет свои последствия для здоровья.

Ещё одна потенциальная конструкция для создания искусственной гравитации – это длинное вращающееся транспортное средство, похожее на палку, диаметром около 100 метров с ядерным реактором на одном конце и отсеком для экипажа на другом для путешествий на Марс. Однако у таких конструкций есть технические проблемы, препятствующие их применению.

Влияние микрогравитации на здоровье

Создание искусственной гравитации может иметь ключевое значение для защиты здоровья астронавтов в долгосрочных космических полётах. В течение пяти десятилетий Программа исследований человека (HRP) изучала влияние микрогравитации на организм человека.

Они обнаружили, что лишённые гравитации Земли несущие кости человека теряют в среднем от 1 до 1,5% минеральной плотности каждый месяц космического полёта. Мышечная масса теряется быстрее в условиях микрогравитации, чем на Земле.

В дополнение к этим факторам во время космического полёта жидкости в организме человека могут перемещаться вверх, оказывая давление на глаза, что может привести к проблемам со зрением.

Космическая станция “Вояджер”

Космическая станция “Вояджер” – это запланированная космическая станция с вращающимся колесом, строительство которой должно начаться в 2025 году. Инициатором её создания выступила компания Orbital Assembly Corporation (OAC). “Вояджер” будет отличаться от Международной космической станции двумя ключевыми моментами: он будет открыт для публики и будет иметь искусственную гравитацию.

Выведенный на низкую околоземную орбиту космический отель будет вращаться достаточно быстро, чтобы создать искусственную гравитацию для 400 пассажиров. Если станция будет построена так, как сейчас планируется, она станет самым большим рукотворным сооружением, когда-либо выводившимся на орбиту.

Первые шаги проекта будут включать создание прототипа гравитационного кольца. Кольцо диаметром 61 метр будет генерировать гравитацию, эквивалентную примерно 40% от земной, или примерно такую ​​же, как гравитация Марса.

Невесомость! Что может лучше отражать романтику и экзотичность космоса? В реальности это явление доставляет космонавтам и организующим полёт инженерам множество проблем: множество элементарных бытовых действий превращается в требующие особой изобретательности задачи. К счастью, в уютной космоопере есть простое решение — искусственная гравитация.

Зачем?[править]

Ватсонианский обоснуй[править]

• Во-первых, даже при постоянной нагрузке мышцы космонавта за недели и месяцы в невесомости теряют тонус, и известны случаи, когда космонавтов из спускаемого аппарата выносили на руках (а потом для прессы снимали постановочное видео, как они выходят оттуда твёрдым шагом, улыбаясь и помахивая публике). Тем более это важно, если речь о том, чтобы в космосе не просто передвигаться, а жить.
• Во-вторых, многое, обычное в мире на дне гравитационного колодца, выглядит в невесомости совершенно иначе. Например, жидкость нельзя хранить в открытых ёмкостях, а отсутствие конвекции делает банальное кипячение воды намного более сложным технически процессом. А уж что там приходится творить с сантехникой… Нет, тренированный человек с этим вполне может справиться, но, если нужно возить изнеженных планетных крыс, создание близких им условий окупится.

Дойлистские обоснуи[править]

• Во многих жанрах космическая экзотика идёт повествованию во вред, если её слишком много. Расписывать, как именно старший лейтенант флота Её Величества фон Берн передвигается между отсеками и чистит зубы? Нет, кому-то это, конечно, интересно. Но для тех, кто жаждет от приключений старшего лейтенанта драмы и экшена, а всякие списки кораблей пропускает, поминая недобрым словом зануду-автора — не слишком. Так что просто вводим искусственную гравитацию, и всё ОК: ходит лейтенант, громко стуча по рифлёному полу каблуками подкованных сапог и пригибаясь в низких проёмах переборок, а зубы чистит тайно и в обход устава протащенной на борт пастой «Новая Саксония» взамен положенного «Индекса 3-2» с его отвратительным металлическим привкусом.
• В кино и сериалах (не говоря уж о театре, хотя, конечно, спектаклей, действие которых происходит на борту космического аппарата, не слишком много) невесомость — это спецэффект, дополнительные затраты бюджета и угроза получить спецдефект на выходе. Очевидный низкобюджетный флеботинум — искусственная гравитация, которую изобразить не стоит ни копейки.

Как?[править]

Хочешь земную силу тяжести — например тащи в космос груз массой с Землю. Даже если удастся сделать его достаточно компактным — это же надо разгонять (и тормозить)! Так что, чтобы создать искусственную гравитацию, нужно с помощью некоего флеботинума научиться получать гравитационную массу отдельно от инерционной^[1] — так, чтобы взаимодействовала с массой других тел, притягивая их, но при этом не влияла на импульс корабля. Для этого нужно, чтобы инерционная и гравитационная масса в сеттинге были принципиально разными явлениями (в нашей вселенной учёные до сих пор спорят, это просто два проявления одного и того же, или по счастливой случайности где-то в суперструнах они равны при нормальных условиях, но их можно как-то разделить; автор этой правки слышал об экспериментах, подтверждавших последнюю точку зрения^[2]).

Применение[править]

Самый простой вариант, используемый подавляющим большинством всех космоопер — наличие некого магического устройства, генерирующего силу тяжести в ограниченном объеме и позволяющего строить корабли в такой привычной форме морских лодок с крыльями и продольно ориентированными палубами. Принципы действия и даже устройства этого механизма редко когда освещаются, и ещё реже это устройство ломается, создавая ситуации когда на корабле катастрофически отказывает буквально все, от реактора до систем жизнеобеспечения — но не система искуственной гравитации.
Если хочется более приблеженный к реализму вариант, подходящий к искусственной гравитации ближе всего — вместо силы тяжести использовать ускорение. Либо разгонять (а во второй половине пути — развернуть корабль хвостом вперёд и тормозить) космический аппарат тягой двигателей так, чтобы создать нужную силу реакции опоры, т. е. вес, либо сделать жилую зону космического аппарата вращающейся: возникнет центробежная сила, которая так же сможет имитировать гравитацию (на практике доказывается попыткой раскрутить ведро с водой над головой). Второе удобно тем, что не требует траты топлива и рабочего тела, но, если аппарат маленький, вращать его придётся быстро — не смотри в иллюминатор, голова закружится (а ещё не ходи близко к оси вращения: заметная разница в силе тяжести на уровне головы и, скажем, сердца на протяжении длительного времени скажется на здоровье весьма неблагоприятно)! Ну и воду наливать придется очень интересным способом (показано в первом сезоне сериала «пространство») Другие заменители силы тяжести касаются частных аспектов: например, можно выдать космонавтам ботинки с электромагнитами, которые будут притягивать стопы к полу (не существовали в реальности), но, понятно, баланс при такой ходьбе будет совсем иной. Либо надеть на них давящий костюм, нагружающий часть мышц (в реальности существует). Пример — та же сама «Космическая одиссея 2001 года» Кубрика: стюардесса, грациозно переступающая с пола на стену и оттуда на потолок (если можно так разбить внутреннюю поверхность цилиндра). Третий вариант — забить на гравитацию и использовать сильнейшее магнитное поле. Правда тут проблема — с его помощью можно левитировать, а вот ходить ещё пока не пробовали, тем не менее, при достаточно значительных затратах энергии этот способ теоретически безопасен для живых организмов, но требует особых конструкционных материалов, иначе в лучшем случае будут крайне неприятные звуки, а в худшем при малейших неполадках — все поджарятся.

Примеры[править]

В сериале/книге «Пространство» гравитация как раз достигается согласно заветам дядюшки Эйнштейна — посредством непрерывного ускорения корабля. На середине своего пути корабль разворачивается и начинает ускоряться в противоположную полету сторону, таким образом замедляясь.

Где НЕ встречается[править]

• С. Лем, цикл про Ийона Тихого — в старых космических кораблях. Отсюда много разных нелепостей, пережитых Светомиром Тихим, отцом Ийона.
  • В рассказе-обзоре гипердержав Игоря Края «Глазунья и галактика» (т. е. по сути фанфике от «Мира фантастики») у Ийона в ракете также нет искусственной гравитации, что противоречит каноничному варианту. С другой стороны, часть юмора построена на этом.
• Лоуренс Данерс (Laurence E. Dahners), цикл «Тиона» (Tiona) — даже на момент конца книги — нет данной технологии. И у пришельцев — тоже. Перегрузки тоже есть, и потенциальных космонавтов тестируют на то, сколько они выдержат, и есть нормы для членов экипажа и для «посторонних». Другое дело, что обеспечить постоянное ускорение — не проблема с того момента, как Тиона с отцом придумали тяговые диски (выглядит чисто как нереактивная тяга, про приведённую гипотезу, что они захватывают тёмную материю, потому что ну бред же нереактивная тяга, в тексте также сказано, что подтвердить… пока не получается). Энергия тоже не проблема ещё с конца первой книги (реакторы холодного синтеза).
• Николай Басов, «Мир вечного полдня» — местные ракетолёты, самый быстрый вид транспорта внутри Сферы, вот только летают они с такими перегрузками что у людей ломает кости и из ушей течёт кровь, а пилотирует их с обеих сторон карлики, не то уродившиеся такими, не то дополнительно усовершенствованными как вид генетически, чтоб это выдерживать.
• «Элизиум» — до такой степени не встречается, что в кабине летящего с ускорением космического корабля свободно плавают объекты.
• Фильм «Гравитация» — вопреки названию, веса в космических эпизодах нет, ни искусственного, ни ещё какого-либо. Гравитация-то есть — корабли же с орбиты не сходят.
• Фильм «Игра Эндера» — режиссёр подошёл к делу на редкость ответственно и учёл, что в невесомости человек даже двигается по-особому.
  • Гравитации там нет только в боевой комнате, а в остальных отсеках станции — есть. Станция при этом не вращается. Да и в книге упоминается искусственная гравитация.
• НЁХ «Живое» — происходит на международной космической станции.

Где нестандартно обыграно[править]

Самый простой вариант — гравитация включается и выключается каким-нибудь рубильником. В более сложном — через компьютер. Но есть варианты и поинтереснее, даже в некотором смысле претендующие на реалистичность.

Литература[править]

• Франсис Карсак, «Бегство Земли» — с помощью «Космомагнетизма» можно собрать и безопорный двигатель, и устройство для создания искусственной гравитации, но вот когда Землю пришлось сдвигать с орбиты чуть не разорвали планету пополам, инерция ведь никуда не делась…
• Братья Стругацкие, «Страна багровых туч» (первое произведение Мира Полудня) — ГГ Алексей Быков, собираясь в свой первый полёт, ждет новых ощущений, включая невесомость. Но ему объясняют, что фишка новинки, фотонного двигателя — в возможности весь путь держать двигатель включённым: полпути разгон, полпути торможение. И только на полчаса разворота в середине полёта тяжесть пропадает, и ГГ успевает оконфузиться.
• Во многих произведениях Хайнлайна люди путешествуют по Солнечной системе на «факельных кораблях» с постоянным ускорением (т. е. полпути разгоняемся, затем разворачиваемся и тормозим), вот вам и «гравитация». Обычно, конечно, ускорение равно земному ускорению силы тяжести, но если надо поторопиться — его повышают, а при манёврах и до пяти g доходит. Экипаж и пассажиров на такой случай засовывают в противоперегрузочные ванны, а что будет, если не принять такие меры — несколько раз описывается. В «Двойной звезде» пилот вспоминает очень сильного, упрямого и, увы, тупого пассажира, который вылез из ванны и пошел при 5g… увы, это был последний раз, когда он ходил вообще. В рассказе «Лифт к звёздам» («Тяжесть небес») двум пилотам нужно вотпрямщас доставить на Плутон груз с донорской кровью для борьбы с эпидемией; при нормальном ускорении путь туда займет 18 дней, но за это время все перемрут, поэтому пилоты будут лететь 9 с лишним дней при 3,5g… в общем, это будет очень медленное героическое самопожертвование. Один из них умер через неделю, второй выжил, но биологически постарел лет на 50.
  • Скажем так, факельные корабли Ортеги занимают почётное место в легендариуме Хайнлайна, но утверждать, что на них путешествуют во многих произведениях — несколько преувеличено. Большей частью всё же или романтика ракетных кораблей, или сверхсветовое передвижение.
• Лукьяненко, «Звезды — холодные игрушки» — у инопланетных рас, даже не Старших, гравитация на кораблях есть (у тех, кому она нужна), землянам на их кораблях приходится пользоваться шлангами для удовлетворения естественных потребностей. На их оборонной станции подобие гравитации есть, но слабое, за счет вращения станции.
• Орсон Скотт Кард, «Игра Эндера» — искусственная гравитация есть, но значительную часть сюжета занимают бои в невесомости на парализующем оружии.
• Джеймс Макконнелл, «Теория обучения» — похищенный инопланетянами протагонист из вращательной псевдогравитации делает выводы: что он не на Земле и что похитители не так уж далеко продвинулись по сравнению с человечеством.
• Брюс Стирлинг, «Схизматрица» — в наличии и станции без каких-либо намёков на искусственную замену гравитации вовсе, и стальные полы с магнитными башмаками чисто для удобства передвижения, и центрифуги для замены гравитации инерцией. При этом многим шейперам ходить по твёрдой поверхности в принципе неудобно, потому в центрифугах они могут передвигаться, хватаясь за специальные кольца в потолке. Также мельком описывается мебель для невесомости — к примеру «стол» оказывается мягким шаром с ремнями для пристёгивания и углублениями для крепления посуды в виде спринцовок, а в пространстве станции он фиксируется натянутыми тросами, но функционально это всё равно стол и столом же его персонажи и называют.

Кино[править]

• «Барбарелла» 1968 г. — в корабле Барбареллы включается и выключается. Собственно начинается с того, что она в скафандре «висит» с интерьерах корабля, а во время титров она его постепенно снимает.
• «Москва — Кассиопея» — искусственная гравитация на корабле есть, но первые минуты полёта она не работает. Один из персонажей плавает в пространстве (на верёвочках, конечно, но тогда это не сильно бросалось в глаза), другой бегает по потолку в магнитных ботинках, а ещё из аквариума вылетает одним большим пузырём вода, и рыба в ней плавает. Сумрачные гении, ага — как релятивистский двигатель, так это всегда пожалуйста, а как аквариум крышкой закрыть…
• «Лунный гонщик» про Джеймса Бонда — когда станция Дракса законсервирована, там невесомость, как и положено. Гравитация появляется при включении вращения.
• Interstellar — решается проблема именно вращением.
• «Космическая одиссея 2001» — тоже используется вращение.
• The Martian — тоже вращение. На оси корабля, соответственно, невесомость всегда.
• «Дальний космос»/«Stowaway» — трейлер фильма закидали тапками за то, что там гравитация, а центрифуги на корабле не видно, и совершенно напрасно — создатели позаимствовали идею из проекта «Mars Direct» Зубрина, в котором для создания гравитации корабль привязывают длинной веревочкой к отработавшему разгонному блоку и раскручивают их вокруг общего центра масс.

Телесериалы[править]

• Babylon 5 — у старших рас, типа минбарцев, с этим всё в порядке — искусственная гравитация не только людей к полу прижимает, как положено, но и корабли разгоняет. А у технически неразвитых землян — всё по старинке: искусственное тяготение создаётся во вращающихся отсеках, а разгон — старыми добрыми реактивными двигателями. Есть ещё расы, владеющие технологией искусственной гравитации не в совершенстве (центавриане, земляне после формирования Межзвёздного Альянса). Они используют технологию, чтобы понизить эффективную массу корабля, после чего разгоняют его старыми-добрыми реактивными движками, но гораздо быстрее из-за низкой массы.

Мультипликация[править]

• ExoSquad. Редкий случай, когда гравитационное поле используется не только для создания искусственной тяжести на кораблях, но и как оружие. А в последней серии Элджернон ухитрился с его помощью склеить из осколков взорванную планету. При этом теоретические основы управления гравитационным полем настолько мозголомны, что во всей Солнечной Системе их смогли до конца понять только гениальный Элджернон и специально для этого выведенный нео-мега Энлиль. А альфа-неосапиенсы к пониманию этой теории неспособны принципиально.
• Мультфильм «Бэтмен. Возвращение рыцарей в масках» (2016 г., к юбилею телесериала 1960-х, и выдержан в его стилистике). На станции «Мир» гравитация включается и выключается при помощи рубильника. Это обстоятельство стало ключевым во время драки Бэтмена, Робина и Кошки против Пингвина, Джокера и Загадочника.
• Компьютерные мультсериалы по «Звёздным войнам» — в время проведения диверсий гравитацию на вражеском корабле можно отключить (обычно при участии астродроида), а потом неожиданно для врагов включить.
• Мультсериал «Final Space» — искусственная гравитация используется системой безопасности корабля — при неавторизованном вторжении нарушителя просто начинает швырять по коридорам из стороны в сторону.

Веб-комикс[править]

• «Schlock Mercenary» — гравитика и инертика в галактической цивилизации конца 3 тысячелетия являются вездесущими технологиями. Именно на гравитике (и умалчивании деталей) работают ан-реакторы («аннигиляционные»), переводящие массу в энергию близко к заветам Эйнштейна, что позволяет тратить неприличные её объёмы на тривиальные вещи вроде комфортного хождения по кораблю. Ан-реакторы также выпускают в миниатюрном форм-факторе, например, для левитационной одежды (или говорящего летающего искина-погремушки), а космические корабли летают именно на гравитационной безынерционной тяге.

Аниме и манга[править]

• «Ginga Eiyuu Densetsu» — искусственная гравитация повсеместна, но когда Кирхайс был в увольнительной на Кройцнахе III, на него напали, заманив в антигравитационный ангар. Кирхайс порадовал праздную публику эффектными приемами боя в невесомости.
• Knights of Sidonia — генераторы искусственной гравитации присутствуют и активно используются, но при этом совершенно никак не экранируют пространство от таких вещей, как инерция, а только создают своё собственное поле в зоне своего действия. В результате в наличии принцип суперпозиции сил: генератор может обеспечивать гравитацию около земной при постоянной скорости корабля и компенсировать перегрузки до пары-тройки g, а всё, что выше, будет влиять на содержимое зоны действия генератора, будучи соответственно уменьшено только на величину мощности генератора — потому перегрузки нередко оказываются смертельны (а если не добили перегрузки, с этим может справиться то, что ими было отломано и запущено в сторону выживших).

Видеоигры[править]

• «Nexus: The Jupiter Incident» — искусственная гравитация есть у всех известных рас, а также у колонии Ной. Землянам же приходится пользоваться вращающимися отсеками тем более, что обычные полёты по Солнечной системе занимаются от нескольких недель до месяцев, тогда как более развитые расы (и нойцы) обладают внутрисистемной тирьямпампацией.

Музыка[править]

• Клип группы «Aqua» «Cartoon Heroes» — проснулись в гибернационных камерах, вылетели, полетали, немного попели, гравитацию включили — все попадали на пол, отряхнулись и отправились с песней мир спасать.