Mokslo ir technologijų pasaulis

Gravitacija traukia mus žemyn, dilina sąnarius, vargina kojas, nusmukdo kai kurias mūsų dalis. Bet ji yra kritiškai svarbus ilgalaikės mūsų gerovės faktorius. Apie Žemę ratus sukantys astronautai ir kosmonautai per pastaruosius 60 metų išsiaiškino, kad nulinis g, ar kitaip, mikrogravitacija, iš tiesų nėra labai gerai, o dirbtinės gravitacijos įgyvendinimas tebėra galvą sukanti (dažnai – ir tiesiogine prasme) užduotis.

Žmogaus kūnas evoliucionavo iškreipto erdvėlaikio zonoje, kur objektai patiria praktiškai vientisą 9,81 metrų per sekundę per sekundę pagreitį. Kraujas ir skysčiai spaudžiami atitinkamai, o arterijas ir venas spaudžia raumenys, kad skysčiai nepatogiai nesikauptų pėdose. Akių obuoliai yra įtempti, kad išlaikytų tinkamą optinę formą. O mūsų mikrobiomas yra prisitaikęs prie aplinkos su aiškiai apibrėžtu viršumi ir apačia – ypač, kalbant apie virškinimą.

Atsidūrus mikrogravitacijoje, reikalai sudėtingėja. Mūsų širdies ir kraujagyslių sistema greitai išsimuša iš vėžių, tad skysčiai ima kauptis ten, kur paprastai nesikaupia – todėl papursta kosminių keliautojų veidai. Akys turi prisitaikyti prie neįprastų jėgų. Lyg to būtų negana, visi mes esame skirtingi, tad fiziologiniai pokyčiai kiekvienam asmeniui gali vykti skirtingai.

Ilgas buvimas be traukos yra dar rimtesnis. Sutrinka skeleto augimas ir palaikymas, ir mineralai, kurie įprastai turėtų sudaryti kaulus, atsiduria kraujo plazmoje ir galiausiai kelia inkstų akmenų atsiradimo ir kitų nemalonumų grėsmę. Mažėja raudonųjų kraujo kūnelių, nukenčia imuninė sistema.

Taigi, nieko keisto, kad jau seniai galvojama, kaip įveikti šiuos efektus. Vienas būdas, atsidūrus toli nuo maloniai masyvios planetos – pabandyti sukurti dirbtinę gravitaciją.

Pati pirmoji tokia idėja iškelta 1896 metais, kai nepaprastasis rusų mokslininkas Konstantinas Ciolkovskis aprašė besisukančios kosmose struktūros išcentrinės „jėgos“ panaudojimą gravitacinės traukos simuliavimui. Sukite objektą ratu ir kaip mokykliniame eksperimente su virve už rankenos pririšto vandens pilno kibiro atveju, vanduo lieka prie dugno, objektams sukursite nuolatinį pagreitį.

Kultiniame 1968-ųjų filme 2001: A Space Odyssey buvo pateikta viena iš geriausių vizualizacijų, kaip galėtų veikti besisukanti kosminė buveinė (autorinių teisių klausimai komplikuoja parodymą, bet paveikslėlis iš NASA archyvų pakankamai panašus).

Pirmasis tikras dirbtinės gravitacijos eksperimentas įvyko 1966 m. rugsėjį, kai NASA'os Gemini 11 misija, kurios įgulą sudarė Pete'as Conradas ir Richardas Jordanas, žemoje Žemės orbitoje susitiko su Agena Target Vehicle (3175 kg modifikuota raketos pakopa).

Viena iš jų užduočių buvo Gemini kapsulės ir Agena'os sujungimas 30 metrų nailonine virve. Idėja buvo, kad pirmiausia, įtaisius Gemini „virš“ Agena'os, virvę įtemptų šiuo atstumu susidarantis gravitacijos skirtumas (tai nevyko itin gerai), ir antra, kad abu laivai galėtų judėti vienas apie kitą kaip bolas – laikomas drauge saito ir kuriantis dirbtinę gravitaciją Gemini kapsulės „grindų“ link.

Galite stebėti rezultatus čia, prasidedančius maždaug 10:30 min. Virvės bangavimas ir kitų problemos laikinai nurimo po maždaug 20 min ir trumpam, mažutėlaitė gravitacija Gemini kapsulėje buvo užfiksuota. Kiek gravitacijos buvo? Apie 0,0005 g, kai vyko 0,15 apsisukimų per minutę. Kiek vėliau virvė buvo paleista.

Žiūrėjimas šiek tiek erzina. Dar labiau erzina detalių, kas vyko, skaitymas, ką galite padaryti čia.

Besisukančios buveinės kuriamas pagreitis kelia ir kitų iššūkių, kadangi gyventojai neliktų vienoje vietoje.

Stovint ant besisukančios aplinkos „grindų“, galva visada arčiau sukimosi ašies, o tai reiškia, kad kaukolė juda lėčiau, nei pėdos. Kas nutiks, kai pasilenksite ką nors paimti, ar užsivarstyti batraiščius? Ir kas nutiks, kai bandysite eiti? Tokiais momentais kūnui teks įveikti tą greičių skirtumą, ir vidinė ausis – su mažais skysčio pilnais judesio jutikliais – jus vykstant labai keistus dalykus.

Žemė spindulio santykis su mase pakankamas, kad gravitacinio lauko gradientas būtų plokščias ir gravitacinio pagreičio skirtumas tarp galvos ir pėdų tebūtų maždaug 0,000006 m/s², arba ~0,00006 % (nekreipiant dėmesio į planetos sukimąsi). Prie tokio mažo skirtumo esame prisitaikę ir jo nepastebime. Apie besisukantį erdvėlaivį to paties pasakyti negalime.

Ir tai dar ne viskas. Ką daryti su lateraliniu (šoniniu) judėjimu? Vien galvos pasukimas besisukančioje buveinėje pakeis kūno dalių išsidėstymą lygiagrečiai ar statmenai sukimosi krypčiai, kas vėl gi suteiks nemalonius pojūčius vidinei ausiai.

Daug šių klausimų svarstyta, nors didžioji dauguma darbų atlikta septintajame ir aštuntajame praėjusio amžiaus dešimtmetyje. Ypač nuodugnų tyrimą atliko Theodore'as Hallas savo PhD tezėse dešimtajame dešimtmetyje ir daug šios medžiagos prieinama internete – taip pat ir patogi dirbtinės gravitacijos skaičiuoklė SpinCalc!

Iš čia seka išvada, kad reikia didelės aplinkos, lyginant su žmogaus kūnu (100 metrų spindulys būtų gerai), kad būtų minimizuotas absoliutaus greičio skirtumas tarp galvos ir pėdų, ir apsisukimų per minutę skaičius būtų santykinai mažas (tikriausiai mažesnis, nei 3-4). Taip pat reikia sukonfigūruoti jį taip, kad apskritiminio judėjimo greitis būtų ženkliai didesnis už tipišką žmonių vaikščiojimo ar bėgiojimo greitį. Antraip, bėgdami prieš sukimosi kryptį, rizikuojate neutralizuoti prie grindų jus spaudžiantį pagreitį!

Apibendrinant, kaip šiek tiek patyrė Gemini 11 astronautai, dirbtinės gravitacijos sistemas sunku ne tik įrengti, bet ir suderinti taip, kad žmonės (ar bet kokie kiti organizmai) galėtų jose ištverti. Tai nėra paprasčiausias kosminių ratų sukimas…