گرانش شبیه‌سازی شده چرخشی در شبیه‌سازی‌ها برای کمک به آموزش فضانوردان برای شرایط شدید استفاده شده است. گرانش شبیه سازی شده چرخشی به عنوان راه حلی در پرواز فضایی انسان برای اثرات نامطلوب سلامتی ناشی از بی وزنی طولانی مدت پیشنهاد شده است. با این حال، به دلیل نگرانی در مورد اندازه و هزینه یک سفینه فضایی که برای تولید نیروی مرکزگرای مفید قابل مقایسه با قدرت میدان گرانشی روی زمین (g) لازم است، هیچ کاربرد عملی فضای بیرونی از گرانش مصنوعی برای انسان وجود ندارد. دانشمندان نگران تأثیر چنین سیستمی بر گوش داخلی سرنشینان هستند. نگرانی این است که استفاده از نیروی مرکزگرا برای ایجاد گرانش مصنوعی باعث ایجاد اختلالاتی در گوش داخلی می شود که منجر به حالت تهوع و بی نظمی می شود. ممکن است اثرات نامطلوب برای ساکنین غیرقابل تحمل باشد.
نیروی مرکزگرا
تصویر: ایستگاه فضایی گرانش مصنوعی. مفهوم 1969 ناسا. یک اشکال این است که فضانوردان بین گرانش بالاتر در نزدیکی انتها و گرانش کمتر در نزدیکی مرکز به جلو و عقب راه می‌روند.
گرانش مصنوعی را می توان با استفاده از نیروی مرکزگرا ایجاد کرد. برای حرکت هر جسمی در یک مسیر دایره ای، یک نیروی مرکزگرا به سمت مرکز پیچ مورد نیاز است.
در زمینه یک ایستگاه فضایی در حال چرخش، نیروی طبیعی ارائه شده توسط بدنه فضاپیما است که به عنوان نیروی مرکزگرا عمل می کند. بنابراین، نیروی "گرانش" که توسط یک جسم احساس می شود، نیروی گریز از مرکز است که در چارچوب چرخشی مرجع به صورت اشاره به سمت "پایین" به سمت بدنه درک می شود. مطابق با قانون سوم نیوتن، مقدار g کوچک (شتاب احساس شده "رو به پایین") از نظر بزرگی برابر و در جهت مخالف با شتاب مرکزگرا است.
سازوکار
از دیدگاه افرادی که همراه با زیستگاه در حال چرخش هستند، گرانش مصنوعی همراه با چرخش، به جهاتی مشابه گرانش معمولی، اما با تفاوت‌های زیر عمل می‌کند:* نیروی گریز از مرکز با فاصله تغییر می کند: برخلاف گرانش واقعی، که به سمت مرکز سیاره می کشد، نیروی گریز از مرکز ظاهری که توسط ناظران در زیستگاه احساس می شود، به صورت شعاعی از مرکز به بیرون رانده می شود، و با فرض نرخ چرخش ثابت (سرعت زاویه ای ثابت)، گریز از مرکز نیرو با فاصله از مرکز زیستگاه نسبت مستقیم دارد. با یک شعاع چرخش کوچک، مقدار گرانشی که در سر فرد احساس می شود به طور قابل توجهی با مقداری که در پاهای فرد احساس می شود متفاوت است. این می تواند حرکت و تغییر وضعیت بدن را ناخوشایند کند. مطابق با فیزیک درگیر، چرخش‌های آهسته‌تر یا شعاع‌های چرخشی بزرگتر می‌توانند این مشکل را کاهش داده یا از بین ببرند. به طور مشابه، سرعت خطی زیستگاه باید به طور قابل توجهی بیشتر از سرعت نسبی‌ای باشد که فضانورد با آن موقعیت خود را در درون زیستگاه تغییر می دهد. در غیر این صورت حرکت در جهت چرخش، گرانشِ احساس شده را افزایش می دهد (در حالی که حرکت در جهت مخالف باعث کاهش آن می شود) تا جایی که باید مشکل ایجاد کند.
* اثر کوریولیس یک نیروی ظاهری ایجاد می کند که بر اجسامی که نسبت به یک چارچوب مرجع در حال حرکت حرکت می کنند، عمل می کند. این نیروی ظاهری در زوایای قائم نسبت به حرکت و محور چرخش عمل می کند و تمایل دارد که حرکت را در جهت مخالف چرخش زیستگاه منحنی کند. اگر یک فضانورد در داخل یک محیط گرانش مصنوعی در حال چرخش به سمت محور چرخش یا دور از آن حرکت کند، نیرویی را احساس می کند که او را به سمت یا دور از جهت چرخش فشار می دهد. این نیروها بر روی کانال های نیم دایره ای گوش داخلی اثر می کنند و می توانند باعث سرگیجه، حالت تهوع و بی نظمی شوند. طولانی شدن دوره چرخش (سرعت چرخش آهسته تر) نیروی کوریولیس و اثرات آن را کاهش می دهد. به طور کلی اعتقاد بر این است که در 2 دور در دقیقه یا کمتر، هیچ اثر نامطلوبی از نیروهای کوریولیس رخ نخواهد داد، اگرچه نشان داده شده است که انسان با سرعت 23 دور در دقیقه سازگار است. هنوز مشخص نیست که آیا قرار گرفتن طولانی مدت در معرض سطوح بالای نیروهای کوریولیس می تواند احتمال عادت کردن را افزایش دهد یا خیر. اثرات تهوع آور نیروهای کوریولیس را همچنین می توان با مهار حرکت سر کاهش داد.
این شکل از گرانش مصنوعی دارای مسائل مهندسی اضافی‌ای است:
* انرژی جنبشی و تکانه زاویه ای: چرخش به سمت بالا (یا پایین) قسمت ها یا تمام زیستگاه به انرژی نیاز دارد، در حالی که تکانه زاویه ای باید حفظ شود. این به یک سیستم محرکه و پیشرانه قابل مصرف نیاز دارد، یا می تواند بدون صرف جرم، توسط یک موتور الکتریکی و یک وزنه تعادل، مانند چرخ واکنش یا احتمالاً یک منطقه زندگی دیگر که در جهت مخالف می چرخد، به دست آید.
* استحکام بیشتری در سازه مورد نیاز است تا به دلیل چرخش از جدا شدن آن جلوگیری شود. با این حال، مقدار ساختار مورد نیاز بیش از آن برای نگه داشتن یک اتمسفر قابل تنفس (10 تن نیرو در هر متر مربع در 1 اتمسفر) برای اکثر سازه ها نسبتاً متوسط است.
* اگر قسمت‌هایی از سازه عمداً نچرخند، اصطکاک و گشتاورهای مشابه باعث همگرا شدن نرخ‌های اسپین می‌شوند (و همچنین باعث چرخش قسمت‌های در غیر این صورت ساکن می‌شوند)، که نیاز به موتور و نیرو برای جبران تلفات ناشی از اصطکاک دارد.
پرواز فضایی انسان
چالش‌های مهندسی ایجاد یک فضاپیمای چرخان نسبت به هر رویکرد پیشنهادی دیگری کمتر است. طرح‌های فضاپیمای نظری با استفاده از گرانش مصنوعی، انواع زیادی همراه با مشکلات و مزایای ذاتی دارند. فرمول نیروی مرکزگرا نشان می دهد که شعاع چرخش با مجذور دوره چرخش فضاپیما رشد می کند، بنابراین دو برابر شدن دوره مستلزم افزایش چهار برابری در شعاع چرخش است. به عنوان مثال، برای تولید گرانش استاندارد، g0=9.8 m/s2 با دوره چرخش 15 ثانیه برای فضاپیما، شعاع چرخش باید 56 متر (184 فوت) باشد، در حالی که برای یک دوره 30 ثانیه‌ای باید 224 متر باشد (735 فوت). برای کاهش جرم، تکیه گاه در امتداد قطر نمی تواند چیزی جز کابلی باشد که دو بخش سفینه فضایی را به هم متصل می کند. در میان راه حل های ممکن، یک ماژول زیستگاه و یک وزنه تعادل متشکل از هر قسمت دیگر فضاپیما، می توان دو مدول قابل سکونت با وزن مشابه را به آن متصل کرد.هر طرحی که انتخاب شود، لازم است فضاپیما ابزارهایی برای انتقال سریع بالاست از یک بخش به بخش دیگر داشته باشد، در غیر این صورت، حتی جابجایی های کوچک جرم می تواند باعث تغییر قابل توجهی در محور فضاپیما شود که منجر به یک تکان خوردن خطرناک می شود. یکی از راه‌حل‌های ممکن، مهندسی کردن سیستم لوله‌کشی فضاپیما برای این منظور، با استفاده از آب آشامیدنی و/یا فاضلاب به عنوان بالاست است.
هنوز مشخص نیست که آیا قرار گرفتن در معرض گرانش بالا برای دوره های کوتاه مدت به اندازه قرار گرفتن مداوم در معرض جاذبه طبیعی برای سلامتی مفید است یا خیر. همچنین مشخص نیست که سطوح پایین گرانش چقدر در مقابله با اثرات نامطلوب بر سلامتی بی وزنی مؤثر است. گرانش مصنوعی در 0.1 گرم و دوره چرخش 30 ثانیه‌ای فضاپیما، به شعاعی تنها به اندازه 22 متر (72 فوت) نیاز دارد. به همین ترتیب، در شعاع 10 متر، یک دوره کمی بیش از 6 ثانیه برای ایجاد گرانش استاندارد مورد نیاز است (در ناحیه باسن، گرانش در پاها 11٪ بیشتر است)، در حالی که 4.5 ثانیه شتاب 2g تولید می کند. اگر قرار گرفتن کوتاه مدت در معرض گرانش بالا می بتواند اثرات مضر بی وزنی را خنثی کند، می توان از یک سانتریفیوژ کوچک به عنوان منطقه تمرین استفاده کرد.
مأموریت های جمینی
مأموریت جمینی 11 با چرخاندن کپسول به دور وسیله نقلیه هدف Agena (Agena Target Vehicle) که توسط یک اتصال 36 متری به آن متصل شده بود، تلاش کرد گرانش مصنوعی تولید کند. آنها توانستند مقدار کمی گرانش مصنوعی، حدود 0.00015 g، با شلیک پیشرانه های جانبی خود برای چرخاندن آهسته سفینه ترکیبی، مانند یک جفت (قلاب سنگ یا) بولای آهسته، تولید کنند. نیروی حاصل از آن برای هر یک از فضانوردان بسیار کوچک بود، اما اجسامی مشاهده شدند که به سمت "کف" کپسول حرکت می کردند. مأموریت جمینی 8 برای چند دقیقه به گرانش مصنوعی دست یافت. با این حال، این به دلیل یک خطای الکتریکی بود که باعث شلیک مداوم یک رانش شد. نیروهای شتاب بر روی خدمه زیاد بود (حدود 4g)، و مأموریت باید فوراً خاتمه می یافت.فواید سلامتی
تصویر: گرانش مصنوعی برای سفرهای بین سیاره ای به مریخ پیشنهاد شده است
گرانش مصنوعی به عنوان راه حلی برای پرهیز از خطرات مختلف سلامتی مرتبط با پرواز فضایی پیشنهاد شده است. در سال 1964، برنامه فضایی اتحاد جماهیر شوروی بر این باور بود که انسان نمی تواند بیش از 14 روز در فضا زنده بماند، با نگرانی از این که قلب و عروق خونی قادر به انطباق با شرایط بی وزنی نیستند. سرانجام مشخص شد که این ترس بی‌اساس است زیرا پروازهای فضایی اکنون تا 437 روز متوالی به طول انجامیده‌اند، با مأموریت‌های روی ایستگاه فضایی بین‌المللی که معمولاً 6 ماه طول می‌کشد. با این حال، مسئله ایمنی انسان در فضا تحقیقاتی را در مورد اثرات فیزیکیِ قرار گرفتن طولانی مدت در معرض بی وزنی آغاز کرد. در ژوئن 1991، یک پرواز Spacelab Life Sciences 1 18 آزمایش را بر روی دو مرد و دو زن در مدت 9 روز انجام داد. در یک محیط بدون گرانش، نتیجه گیری شد که پاسخ گلبول های سفید و توده عضلانی کاهش می یابد. علاوه بر این، در 24 ساعت اولی که در یک محیط بدون وزن سپری شد، حجم خون 10 درصد کاهش یافت. دوره های طولانی مدت بدون وزن می تواند باعث تورم مغز و مشکلات بینایی شود. پس از بازگشت به زمین، اثرات بی وزنی طولانی مدت همچنان بر بدن انسان تأثیر می گذارد زیرا مایعات در پایین بدن جمع می شوند، ضربان قلب افزایش می یابد، فشار خون کاهش می یابد و توانایی ورزش کاهش می یابد.
گرانش مصنوعی، به دلیل توانایی آن در تقلید از رفتار گرانش بر روی بدن انسان، به عنوان یکی از فراگیرترین روش های مبارزه با اثرات فیزیکی ذاتی محیط های بی وزن پیشنهاد شده است. سایر اقداماتی که به عنوان درمان علامتی پیشنهاد شده است شامل ورزش، رژیم غذایی و لباس پنگوئن است. به هر حال، انتقاد از آن روش ها در این واقعیت نهفته است که آنها به طور کامل مشکلات سلامتی را از بین نمی برند و برای رفع همه مسائل به راه حل های متنوعی نیاز دارند. گرانش مصنوعی، در مقابل، بی وزنی ذاتیِ سفر فضایی را از بین می برد. با اجرای گرانش مصنوعی، مسافران فضایی هرگز مجبور به تجربه بی وزنی یا عوارض جانبی مرتبط با آن نمی شوند. به خصوص در یک سفر شش ماهه امروزی به مریخ، قرار گرفتن در معرض گرانش مصنوعی به صورت مداوم یا متناوب برای جلوگیری از ناتوانی شدید فضانوردان در طول سفر پیشنهاد می‌شود.
پیشنهادات
.jpg "گرانش مصنوعی")
تصویر: فضاپیمای دوار مریخ - مفهوم 1989 ناسا
تعدادی از پیشنهادات، گرانش مصنوعی را در طراحی خود گنجانده اند:
* Discovery II: یک پیشنهاد خودرویی سال 2005 که قادر بود گروهی از خدمه مجموعاً به وزن 172 تُن را در 118 روز به مدار مشتری برساند. بخش بسیار کوچکی از کشتی 1690 تُنی دارای یک ایستگاه گریز از مرکز برای خدمه می‌بود.
* وسیله نقلیه اکتشاف فضایی چند مأموریتی (MMSEV) (Multi-Mission Space Exploration Vehicle): پیشنهاد ناسا بود در سال 2011 برای یک وسیله نقلیه فضایی دارای خدمه طولانی مدت. این شامل یک زیستگاه فضایی گرانش مصنوعی چرخشی بود که برای ارتقاء سلامت خدمه برای حداکثر شش نفر در مأموریت‌هایی تا دو سال در نظر گرفته شده بود. سانتریفیوژ حلقوی چنبره‌ای از هر دو ساختار فلزی استاندارد و سازه های فضاپیما بادی استفاده می کند و اگر با گزینه قطر 40 فوت (12 متر) ساخته شود، g0.11 تا g0.69 را فراهم می کند.
* نسخه نمایشی سانتریفیوژISS : یک پیشنهاد ناسا در سال 2011 برای یک پروژه نمایشی که برای طراحی نهایی زیستگاه فضایی سانتریفیوژ بزرگتر توروس برای وسیله نقلیه اکتشاف فضایی چند مأموریتی آماده می شود. این سازه دارای قطر خارجی 30 فوت (9.1 متر) با قطر مقطع داخلی حلقه 30 اینچ (760 میلی متر) خواهد بود. g0.08 تا g0.51 گرانش جزئی را فراهم می کند. این سانتریفیوژ آزمایش و ارزیابی قابلیت تبدیل شدن به یک ماژول خواب برای خدمه ISS را دارد.
.jpg "گرانش مصنوعی")
تصویر: نمای هنرمندانه از TEMPOł در مدار.
* مریخ مستقیم: طرحی برای مأموریت سرنشین دار مریخ که توسط مهندسان ناسا رابرت زوبرین و دیوید بیکر در سال 1990 ایجاد شد و بعداً در کتاب زوبرین در سال 1996 با نام The Case for Mars گسترش یافت. «واحد زیستگاه مریخ» که فضانوردان را برای پیوستن به «وسیله نقلیه بازگشت زمین» که قبلاً پرتاب شده بود، به مریخ می برد، با گره زدن مرحله بالایی تقویت کننده به واحد زیستگاه و تنظیم هر دوی آنها برای چرخش حول یک محور مشترک، گرانش مصنوعی در طول پرواز ایجاد می کند.
* ماموریت پیشنهادی Tempo3 دو نیمه از یک فضاپیما را به هم متصل می‌کند تا امکان شبیه‌سازی گرانش را در یک مأموریت خدمه به مریخ آزمایش کند.
* ماهواره زیستی گرانش مریخ یک مأموریت پیشنهادی برای مطالعه اثر گرانش مصنوعی بر روی پستانداران بود. میدان گرانشی مصنوعی g0.38 (معادل گرانش سطح مریخ) قرار بود با چرخش (32 دور در دقیقه، شعاع حدود 30 سانتی متر) ایجاد شود. پانزده موش به مدت پنج هفته به دور زمین (مدار پایین زمین) می چرخیدند و سپس زنده فرود می آمدند. با این حال، این برنامه در 24 ژوئن 2009 به دلیل کمبود بودجه و تغییر اولویت ها در ناسا لغو شد.
مسائل مربوط به اجرا
برخی از دلایلی که امروزه از گرانش مصنوعی در پروازهای فضایی استفاده نمی شود، به مشکلات ذاتی در پیاده سازی بازمی گردد. یکی از روش های واقع بینانه ایجاد گرانش مصنوعی، نیروی مرکزگرا است که فرد را به سمت یک کف نسبی می کشاند. اما در آن مدل، مسائلی در اندازه فضاپیما مطرح می شود. همان طور که جان پیج و متیو فرانسیس بیان کردند، هر چه یک فضاپیما کوچکتر باشد (هرچه شعاع چرخش کوتاهتر باشد)، چرخش سریعتری مورد نیاز است. به این ترتیب، برای شبیه سازی گرانش، بهتر است از یک فضاپیمای بزرگتر استفاده شود که به آرامی می چرخد. الزامات مربوط به اندازه، با توجه به چرخش، به دلیل نیروهای متفاوت وارد بر قسمت هایی از بدن در فواصل مختلف از مرکز چرخش است. اگر قسمت‌هایی از بدن که به مرکز چرخشی نزدیک‌تر هستند، نیرویی متفاوت از قسمت‌های دورتر از مرکز را تجربه کنند، این می‌تواند اثرات نامطلوبی داشته باشد. به‌علاوه، این سؤال باقی می‌ماند که بهترین راه برای تنظیم اولیه حرکت چرخشی بدون ایجاد اختلال در ثبات کل مدار فضاپیما چیست. در حال حاضر، سفینه‌ای به اندازه کافی عظیم برای برآورده کردن الزامات چرخش وجود ندارد، و هزینه‌های مربوط به ساخت، نگهداری و راه‌اندازی چنین سفینه‌هایی بسیار زیاد است.
به طور کلی، با اثرات محدود سلامتی موجود در پروازهای فضایی کوتاهتر، و همچنین هزینه بالای تحقیقات، استفاده از گرانش مصنوعی اغلب متوقف و پراکنده است.
منبع: neutral buoyancy laboratory
