آیا می توانیم گرانش مصنوعی را در یک سفینه فضایی ایجاد کنیم؟

در میان بسیاری از خطراتی که فضانوردان در طول پروازهای فضایی طولانی مدت با آن مواجه هستند، ماندن طولانی مدت در ریزگرانش یکی از مهم ترین خطرات برای سلامت طولانی مدت است که بر بینایی، استخوان ها، ماهیچه ها و بسیاری از جنبه های دیگر بدن تأثیر می گذارد.

یک راه حل ممکن است گرانش مصنوعی باشد - راهی برای ایجاد نیروهایی شبیه به گرانش زمین در یک سفینه فضایی، شبیه حلقه چرخان غول پیکر در فیلم سال 1968 استنلی کوبریک "2001: یک ادیسه فضایی".

اما آیا آن فناوری همیشه در راه است یا علمی تخیلی باقی خواهد ماند؟

تورین کلارک، دانشیار مهندسی هوافضا در دانشگاه کلرادو بولدر، به لایو ساینس گفت: «واقعا هیچ دلیلی وجود ندارد که این اتفاق نیفتد. از منظر فنی، این چیزی است که ممکن است در آینده نزدیک اتفاق بیفتد."

در واقع، گرانش مصنوعی قبلا تقریبا راه خود را به فضا باز کرده است. ماژول اسکان سانتریفیوژ یک سانتریفیوژ برنامه ریزی شده با عرض 8.2 فوت (2.5 متر) برای ایستگاه فضایی بین المللی (ISS) بود، اما این پروژه در سال 2005 به دلایل بودجه لغو شد.

آنا دیاز آرتیلز، دانشیار مهندسی هوافضا در دانشگاه Li A&M تگزاس گفت: «[گرانش مصنوعی] یکی از آن چیزها است – مثل اینکه ناگهان، فوق العاده محبوب است، و سپس همه دانشمندان ناسا و همه... بودجه زیادی دارند تا بفهمند چگونه می‌توان این را واقعا پیاده‌سازی کرد، و سپس فقط می‌میرد». "و سپس برمی‌گردد، می‌میرد، و برمی‌گردد. من در مدت زمانی که این کار را انجام می‌دادم، چند تا از این چرخه‌ها را پشت سر گذاشته‌ام."

علاوه بر نگرانی های بودجه ای، سؤالاتی در مورد چگونگی اجرای چنین راه حلی وجود دارد.

دیاز آرتیلس گفت: "همه موافق هستند که انجام آن کار خوبی است. مشکل این است که ما نمی دانیم چگونه آن را اجرا کنیم." "به چه مقدار گرانش نیاز دارید؟ [دستگاه] چقدر باید باشد؟ چه مدت به آن نیاز دارید؟ و چه مدت باید از آن استفاده کنید؟ آیا باید از گرانش پیوسته استفاده کنیم یا یک سانتریفیوژ با شعاع کوتاه، چیزی که در آن وارد و خارج می شوید؟"

محققان سه رویکرد اصلی برای ایجاد گرانش مصنوعی دارند. یکی از این ایده‌های علمی تخیلی کلاسیک است: حلقه‌ای غول‌پیکر که کل محل زندگی مسافران را می‌چرخاند تا آنها تحت نیروهایی مشابه گرانش زمین زندگی و کار کنند.

دیاز آرتیلس گفت: «شعاع نسبتا طولانی دارید، به این معنی که برای ایجاد گرانش لازم نیست خیلی سریع بچرخید. "اما این عظیم است. شما نمی توانید تمام قطعات را در یک فضاپیما به آنجا ببرید - به چندین فضاپیما و برای جمع آوری همه چیز نیاز دارید. بنابراین، البته، می توانید ببینید که این چه تلاش بزرگی است."

یک سانتریفیوژ با شعاع کوتاه یک گزینه امکان پذیرتر است. این در اصل یک لوله با شعاع 6 تا 10 فوت (1.8 تا 3 متر) است که برای شبیه سازی گرانش می چرخد. یک مسافر در داخل می‌نشیند یا می‌ایستد، در حالی که سرش به مرکز چرخش نزدیک‌تر است، بنابراین چرخش قوی‌ترین کشش را به سمت پاهایش ایجاد می‌کند.

فضانورد سونیتا ویلیامز، مجهز به مهار بانجی، بر روی سیستم جداسازی لرزش تردمیل (TVIS) در ماژول خدمات Zvezda ایستگاه فضایی بین‌المللی در سال 2006 تمرین می‌کند. به جای اینکه مسافران بتوانند در گرانش مصنوعی زندگی کنند، از این دستگاه کوچکتر در جلسات کوتاه روزانه استفاده می شود. دیاز آرتیلز گفت: «این یک جورهایی شبیه یک وسیله ورزشی است.

"در ایستگاه فضایی بین‌المللی، شما یک تردمیل دارید، این دستگاه تمرین مقاومتی را دارید، بنابراین برای انجام تمرینات خود به مدت 30 دقیقه به آنجا می‌روید و سپس خارج می‌شوید."

گزینه نهایی این است که فضاپیماها از طریق شتاب خطی گرانش ایجاد کنند. این کار به همان شکلی است که یک خودروی شتاب‌دهنده مسافران را به صندلی‌هایشان برمی‌گرداند، با این تفاوت که فضاپیما برای فشار دادن پاهای فضانورد به زمین است. برای کاهش سرعت، فضاپیما به دور خود می چرخید و رانشگرهای خود را در جهت مخالف شلیک می کرد تا به آرامی سرعت خود را کاهش دهد و در عین حال گرانش تقریبا مشابهی را برای سرنشینان حفظ کرد.

دیاز آرتیلز گفت: «اما شما به چیزی شبیه موتوری نیاز دارید که بتواند همیشه شتاب بگیرد. و از نظر پیشرانه، فکر می‌کنم هنوز به آنجا نرسیده‌ایم.»

اگرچه یک سانتریفیوژ با شعاع کوتاه، هم از نظر هزینه و هم از نظر مهندسی، عملی‌ترین روش است، اما دارای اشکالاتی است. برای مثال، چرخش سریع آن می‌تواند توهم جفت متقاطع کوریولیس را القا کند - احساس کج شدن یا غلت خوردن که هنگام چرخش سر خود را خارج از محور کج می‌کنید.

کلارک گفت که این اثری است که باعث بیماری حرکت می شود.

با این حال، کلارک و تیمش دریافته‌اند که افراد می‌توانند با تمرین، به سادگی با قرار گرفتن در یک سانتریفیوژی که به آرامی می‌چرخند و زمانی که دیگر آن احساس را احساس نمی‌کنند، سرعت را افزایش دهند، تحمل کنند.

کلارک گفت: «اگر خیلی آهسته، سرعت چرخش را به تدریج افزایش دهید... و این کار را نه فقط در یک جلسه، بلکه در چندین جلسه در چند روز انجام دهید، تا آنجا که ما می‌توانیم بگوییم، می‌توان هر کسی را به طور تدریجی با محیط چرخشی (20 تا 30 چرخش در دقیقه) عادت داد.

آیا گرانش مصنوعی از اثرات مضر بر بدن جلوگیری می کند؟

اما محققان هنوز نمی‌دانند که سانتریفیوژ با چه سرعتی باید بچرخد، یا اینکه چه مدت باید در داخل آن بگذرد تا از آن سود ببرد. دوره های طولانی در ریزگرانش می تواند منجر به از دست دادن استخوان و عضله، از دست دادن تناسب اندام هوازی، لخته شدن خون، و مشکلات بینایی ناشی از جابجایی مایعات در چشم شود. امید این است که گرانش مصنوعی بتواند از این اثرات جلوگیری کند، اما اینکه دقیقا چقدر گرانش لازم است یک سوال باز باقی می ماند.

مطالعات انجام شده بر روی افرادی که روی تخت خواب شیب دار از سر به پایین استفاده می کنند - روش تحقیقاتی استاندارد برای شبیه سازی عدم شرایط پرواز فضایی - نشان داده است که 30 دقیقه در روز در یک سانتریفیوژ از از دست دادن عملکرد عضلانی جلوگیری می کند.

رازهای مرتبط

اگر بتوانیم آن را بشنویم، فضا چه صدایی خواهد داشت؟

سفر به ماه چقدر طول می کشد؟

چه اتفاقی برای جسد مرده در فضا می افتد؟

کلارک گفت: «سی دقیقه در روز... شاید کافی نباشد. شاید یک ساعت یا حتی دو ساعت در روز، و شاید در سطوح G بالاتر، مفید باشد.

اما این مطالعات پرهزینه و زمان بر هستند. دیاز آرتیلس گفت: «خیلی سخت است. من فکر می کنم مردم به این مفهوم علاقه مند هستند، اما ما فقط پاسخ خوبی نداریم.

در پایان، این یک چالش تکنولوژیکی نیست که مانع استفاده از گرانش مصنوعی در فضا شود. دانستن بهترین راه برای به کارگیری آن و تامین بودجه برای آن است.

دیاز آرتیلز گفت: "ما می دانیم که چگونه این کار را انجام دهیم. ما به عنوان انسان کارهای سخت تری انجام داده ایم." ما به پول نیاز داریم، اما همچنین باید نیاز را بهتر درک کنیم.»

با آزمون پرواز فضایی ما ببینید چقدر در مورد اکتشاف انسان در فضا می دانید!