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Wie Schwerkraft entsteht. Die Rolle der künstlichen Schwerkraft bei der Erforschung des Weltraums

B.V. Rauschenbach, Korolevs Mitstreiter, erzählte, wie er auf die Idee kam, künstliche Schwerkraft auf einem Raumschiff zu erzeugen: Am Ende des Winters 1963 räumte der Chefkonstrukteur den Weg vom Schnee in der Nähe seines Hauses in der Ostankinskaja-Straße hatte, könnte man sagen, eine Offenbarung. Ohne den Montag abzuwarten, rief er Rauschenbach an, der in der Nähe wohnte, und bald begannen sie gemeinsam, den Weg ins All für lange Flüge freizumachen.
Die Idee erwies sich, wie so oft, als einfach; Es muss einfach sein, sonst klappt in der Praxis vielleicht nichts.

Um das Bild zu vervollständigen. März 1966, Amerikaner auf Gemini 11:

Um 11:29 Uhr legte Gemini 11 von Agena ab. Jetzt beginnt der Spaß: Wie verhalten sich zwei durch ein Kabel verbundene Objekte? Zunächst versuchte Conrad, die Verbindung in die Gravitationsstabilisierung einzuführen – so dass die Rakete unten hing, das Schiff oben und das Kabel gespannt war.
Eine Entfernung von 30 m war jedoch nicht möglich, ohne dass es zu starken Vibrationen kam. Um 11:55 Uhr gingen wir zum zweiten Teil des Experiments über – „Künstliche Schwerkraft“. Conrad brachte das Band in Rotation; Zuerst erstreckte sich das Kabel entlang einer gekrümmten Linie, aber nach 20 Minuten wurde es gerade und die Drehung war völlig korrekt. Conrad steigerte seine Geschwindigkeit auf 38 °/min und nach dem Abendessen auf 55 °/min, was zu einem Gewicht von 0,00078 g führte. Man konnte es nicht „durch Berührung“ spüren, aber die Dinger setzten sich langsam auf dem Boden der Kapsel ab. Um 14:42 Uhr, nach drei Stunden Rotation, wurde der Stift abgeschossen und Gemini entfernte sich von der Rakete.

Bei Objekten im Raum ist Rotation eine häufige Sache. Wenn sich zwei Massen relativ zueinander bewegen, aber nicht aufeinander zu oder voneinander weg, erzeugt ihre Schwerkraft ein Drehmoment. Infolgedessen kreisen im Sonnensystem alle Planeten um die Sonne.

Aber das ist etwas, das der Mensch nicht beeinflusst hat. Warum rotieren Raumschiffe? Um die Position zu stabilisieren, richten Sie die Instrumente ständig in die richtige Richtung und erzeugen Sie in Zukunft künstliche Schwerkraft. Schauen wir uns diese Fragen genauer an.

Rotationsstabilisierung

Wenn wir ein Auto betrachten, wissen wir, in welche Richtung es fährt. Sie wird durch die Interaktion mit der äußeren Umgebung gesteuert – die Haftung der Räder auf der Straße. Wo sich die Räder drehen, da fährt das ganze Auto hin. Aber wenn wir ihm diesen Halt entziehen, wenn wir das Auto mit kahlen Reifen auf Eis rollen lassen, dann wird es im Walzer durchdrehen, was für den Fahrer äußerst gefährlich sein wird. Diese Art von Bewegung kommt auf der Erde selten vor, ist aber im Weltraum die Norm.

B. V. Rauschenbach, Akademiker und Lenin-Preisträger, schrieb in „Spacecraft Motion Control“ über drei Haupttypen von Problemen bei der Bewegungssteuerung von Raumfahrzeugen:

Erhalten der gewünschten Flugbahn (Kontrolle der Bewegung des Massenschwerpunkts),
Orientierungskontrolle, d. h. Ermitteln der gewünschten Position des Raumfahrzeugkörpers relativ zu externen Orientierungspunkten (Kontrolle der Rotationsbewegung um den Massenschwerpunkt);
Dies ist der Fall, wenn diese beiden Steuerungsarten gleichzeitig durchgeführt werden (z. B. wenn sich Raumfahrzeuge einander nähern).

Die Drehung des Geräts erfolgt, um eine stabile Position des Raumfahrzeugs zu gewährleisten. Das zeigt das Experiment im Video unten deutlich. Das am Kabel befestigte Rad nimmt eine Position parallel zum Boden ein. Wenn dieses Rad jedoch zum ersten Mal gedreht wird, behält es seine vertikale Position. Und die Schwerkraft wird dabei nicht stören. Und selbst eine am zweiten Ende der Achse befestigte Last von zwei Kilogramm ändert am Bild nicht viel.

Ein an das Leben unter Schwerkraftbedingungen angepasster Organismus schafft es, auch ohne Schwerkraft zu überleben. Und nicht nur um zu überleben, sondern auch um aktiv zu arbeiten. Doch dieses kleine Wunder bleibt nicht ohne Folgen. Die über Jahrzehnte gesammelten Erfahrungen bemannter Raumflüge haben gezeigt, dass der Mensch im Weltraum viel Stress erfährt, der Spuren im Körper und in der Psyche hinterlässt.

Auf der Erde kämpft unser Körper gegen die Schwerkraft, die das Blut nach unten zieht. Im Weltraum geht dieser Kampf weiter, aber es gibt keine Gravitationskraft. Deshalb sind Astronauten aufgedunsen. Der Hirndruck steigt und der Druck auf die Augen nimmt zu. Dadurch wird der Sehnerv verzerrt und die Form der Augäpfel beeinträchtigt. Der Plasmagehalt im Blut nimmt ab und aufgrund der geringeren Blutmenge, die gepumpt werden muss, verkümmert die Herzmuskulatur. Der Knochenmassedefekt ist erheblich und die Knochen werden brüchig.

Um diesen Auswirkungen entgegenzuwirken, sind die Menschen im Orbit gezwungen, täglich Sport zu treiben. Daher gilt die Schaffung künstlicher Schwerkraft für die langfristige Raumfahrt als wünschenswert. Eine solche Technologie soll physiologisch natürliche Bedingungen für das Leben der Menschen an Bord des Geräts schaffen. Konstantin Tsiolkovsky glaubte auch, dass künstliche Schwerkraft zur Lösung vieler medizinischer Probleme der bemannten Raumfahrt beitragen würde.

Die Idee selbst basiert auf dem Prinzip der Äquivalenz zwischen der Gravitationskraft und der Trägheitskraft, das besagt: „Die Kräfte der Gravitationswechselwirkung sind proportional zur schweren Masse des Körpers, während die Trägheitskräfte proportional zur trägen Masse sind.“ vom Körper. Wenn die Trägheits- und Gravitationsmassen gleich sind, ist es unmöglich zu unterscheiden, welche Kraft auf einen gegebenen eher kleinen Körper einwirkt – Gravitations- oder Trägheitskraft.“

Diese Technologie hat Nachteile. Bei einem Gerät mit kleinem Radius wirken unterschiedliche Kräfte auf die Beine und den Kopf – je weiter vom Rotationszentrum entfernt, desto stärker ist die künstliche Schwerkraft. Das zweite Problem ist die Corioliskraft, durch deren Einfluss eine Person geschaukelt wird, wenn sie sich relativ zur Drehrichtung bewegt. Um dies zu vermeiden, muss das Gerät riesig sein. Und die dritte wichtige Frage hängt mit der Komplexität der Entwicklung und Montage eines solchen Geräts zusammen. Bei der Entwicklung eines solchen Mechanismus ist es wichtig zu überlegen, wie man der Besatzung einen ständigen Zugang zu den künstlichen Schwerkrafträumen ermöglicht und wie man dafür sorgt, dass sich dieser Torus reibungslos bewegt.

Im wirklichen Leben wurde diese Technologie noch nicht für den Bau von Raumschiffen eingesetzt. Für die ISS wurde ein aufblasbares Modul mit künstlicher Schwerkraft vorgeschlagen, um den Prototyp des Nautilus-X-Raumschiffs zu demonstrieren. Allerdings ist das Modul teuer und würde erhebliche Vibrationen verursachen. Die Herstellung der gesamten ISS mit künstlicher Schwerkraft mit aktuellen Raketen ist schwierig umzusetzen – alles müsste im Orbit in Teilen zusammengebaut werden, was den Einsatzumfang erheblich verkomplizieren würde. Und diese künstliche Schwerkraft würde das eigentliche Wesen der ISS als fliegendes Mikrogravitationslabor zunichte machen.

Konzept eines aufblasbaren Mikrogravitationsmoduls für die ISS.

Aber künstliche Schwerkraft lebt in der Fantasie von Science-Fiction-Autoren. Das Hermes-Schiff aus dem Film „Der Marsmensch“ verfügt über einen rotierenden Torus in der Mitte, der künstliche Schwerkraft erzeugt, um den Zustand der Besatzung zu verbessern und die Auswirkungen der Schwerelosigkeit auf den Körper zu verringern.

Die US-amerikanische National Aerospace Agency hat eine Skala von TRL-Technologiebereitschaftsstufen mit neun Stufen entwickelt: von der ersten bis zur sechsten – Entwicklung im Rahmen der Forschungs- und Entwicklungsarbeit, von der siebten und höher – Entwicklungsarbeit und Demonstration der Technologieleistung. Die Technik aus dem Film „Der Marsianer“ entspricht bisher nur der dritten oder vierten Stufe.

In der Science-Fiction-Literatur und in Science-Fiction-Filmen gibt es viele Verwendungsmöglichkeiten dieser Idee. Arthur C. Clarkes Serie „A Space Odyssey“ beschrieb Discovery One als eine hantelförmige Struktur, die den angetriebenen Kernreaktor vom bewohnbaren Bereich trennen soll. Am Äquator der Kugel befindet sich ein „Karussell“ mit einem Durchmesser von 11 Metern, das sich mit einer Geschwindigkeit von etwa fünf Umdrehungen pro Minute dreht. Diese Zentrifuge erzeugt eine Schwerkraft, die der des Mondes entspricht, was eine physische Atrophie unter Schwerelosigkeitsbedingungen verhindern soll.

„Discovery One“ aus „A Space Odyssey“

In der Anime-Serie Planetes verfügt die Raumstation ISPV-7 über riesige Räume mit der üblichen Erdschwerkraft. Der Wohnbereich und der Anbaubereich sind in zwei in unterschiedliche Richtungen rotierenden Tori untergebracht.

Selbst harte Science-Fiction ignoriert die enormen Kosten einer solchen Lösung. Als Vorbild dienten den Enthusiasten das Schiff „Elysium“ aus dem gleichnamigen Film. Der Raddurchmesser beträgt 16 Kilometer. Gewicht - etwa eine Million Tonnen. Der Versand von Fracht in den Orbit kostet 2.700 US-Dollar pro Kilogramm; SpaceX Falcon wird diese Zahl auf 1.650 US-Dollar pro Kilogramm reduzieren. Um diese Menge an Material zu liefern, müssen jedoch 18.382 Starts durchgeführt werden. Das sind 1 Billion 650 Milliarden US-Dollar – fast einhundert Jahresbudgets der NASA.

Echte Siedlungen im Weltraum, bei denen Menschen die übliche Erdbeschleunigung von 9,8 m/s² genießen können, sind noch Zukunftsmusik. Vielleicht bringt die Wiederverwendung von Raketenteilen und Weltraumaufzügen eine solche Ära näher.

Platzieren Sie einen Menschen im Weltraum, entfernt von den Gravitationsbindungen der Erdoberfläche, und er wird Schwerelosigkeit erleben. Und doch haben sie uns im Fernsehen gezeigt, dass die Besatzung eines Raumschiffs recht erfolgreich mit den Füßen auf dem Boden läuft. Zu diesem Zweck wird künstliche Schwerkraft genutzt, die durch Installationen an Bord eines fantastischen Schiffes erzeugt wird. Wie nah ist das an der echten Wissenschaft?

Kapitän Gabriel Lorca auf der Brücke der Discovery während einer Scheinschlacht mit den Klingonen. Die gesamte Besatzung wird von der künstlichen Schwerkraft angezogen, und das ist sozusagen schon Kanon.

Bezüglich der Schwerkraft. Einsteins große Entdeckung war das Äquivalenzprinzip: Bei gleichmäßiger Beschleunigung ist das Bezugssystem nicht vom Gravitationsfeld zu unterscheiden. Wenn Sie in einer Rakete sitzen und das Universum nicht durch das Fenster sehen könnten, hätten Sie keine Ahnung, was passiert: Wurden Sie von der Schwerkraft nach unten gezogen, oder beschleunigte die Rakete in eine bestimmte Richtung? Dies war die Idee, die zur allgemeinen Relativitätstheorie führte. Nach 100 Jahren ist dies die genaueste Beschreibung von Schwerkraft und Beschleunigung, die wir kennen.

Das identische Verhalten einer Kugel, die in einer Rakete (links) und auf der Erde (rechts) zu Boden fällt, verdeutlicht Einsteins Äquivalenzprinzip.

Es gibt noch einen weiteren Trick, wie Ethan Siegel schreibt, den wir anwenden können, wenn wir wollen: Wir können das Raumschiff zum Drehen bringen. Anstelle einer linearen Beschleunigung (wie der Schub einer Rakete) kann eine Zentripetalbeschleunigung eingesetzt werden, sodass die Person an Bord spürt, wie der äußere Körper des Raumfahrzeugs sie zur Mitte hin drückt. Diese Technik wurde in „2001: Odyssee im Weltraum“ verwendet, und wenn Ihr Raumschiff groß genug wäre, wäre die künstliche Schwerkraft nicht von der echten Schwerkraft zu unterscheiden.
Es gibt nur eine Sache. Diese drei Arten der Beschleunigung – Gravitation, Linear und Rotation – sind die einzigen, mit denen wir die Auswirkungen der Schwerkraft simulieren können. Und das ist ein großes Problem für ein Raumschiff.

Das Konzept der Station von 1969, die aus den abgeschlossenen Phasen des Apollo-Programms im Orbit aufgebaut werden sollte. Die Station sollte sich um ihre Mittelachse drehen, um künstliche Schwerkraft zu erzeugen.

Warum? Denn wenn Sie zu einem anderen Sternensystem reisen möchten, müssen Sie Ihr Schiff beschleunigen, um dorthin zu gelangen, und es dann bei Ihrer Ankunft verlangsamen. Wenn Sie sich nicht vor diesen Beschleunigungen schützen können, erwartet Sie eine Katastrophe. Um beispielsweise in „Star Trek“ auf die volle Geschwindigkeit zu beschleunigen, auf ein paar Prozent der Lichtgeschwindigkeit, müsste man eine Beschleunigung von 4000 g erleben. Dies ist die 100-fache Beschleunigung, die den Blutfluss im Körper zu behindern beginnt.

Der Start der Raumfähre Columbia im Jahr 1992 zeigte, dass die Beschleunigung über einen langen Zeitraum erfolgt. Die Beschleunigung des Raumfahrzeugs wird um ein Vielfaches höher sein und der menschliche Körper wird damit nicht zurechtkommen.

Sofern Sie während einer langen Reise nicht schwerelos sein möchten – um sich nicht schrecklichen biologischen Abnutzungserscheinungen wie Muskel- und Knochenschwund auszusetzen – muss eine konstante Kraft auf den Körper einwirken. Für jede andere Kraft ist dies recht einfach. Im Elektromagnetismus könnte man beispielsweise eine Besatzung in eine leitfähige Kabine bringen und viele externe elektrische Felder würden einfach verschwinden. Es wäre möglich, zwei parallele Platten im Inneren zu platzieren und ein konstantes elektrisches Feld zu erzeugen, das Ladungen in eine bestimmte Richtung drückt.
Wenn nur die Schwerkraft genauso funktionieren würde.
Es gibt einfach keinen Gravitationsleiter, und es ist auch nicht möglich, sich vor der Schwerkraft zu schützen. Es ist unmöglich, in einem Raumbereich, beispielsweise zwischen zwei Platten, ein gleichmäßiges Gravitationsfeld zu erzeugen. Warum? Denn im Gegensatz zur elektrischen Kraft, die durch positive und negative Ladungen erzeugt wird, gibt es bei der Gravitationsladung nur eine Art von Ladung, und zwar Masse-Energie. Die Schwerkraft zieht immer an und es gibt kein Entrinnen vor ihr. Sie können nur drei Arten der Beschleunigung verwenden: Gravitation, Linear und Rotation.

Die überwiegende Mehrheit der Quarks und Leptonen im Universum besteht aus Materie, aber jedes von ihnen enthält auch Antiteilchen aus Antimaterie, deren Gravitationsmassen noch nicht bestimmt wurden.

Die einzige Möglichkeit, künstliche Schwerkraft zu erzeugen, die Sie vor den Auswirkungen der Beschleunigung Ihres Schiffes schützt und Ihnen einen konstanten „Abwärtsschub“ ohne Beschleunigung verleiht, wäre, wenn Sie negative Schwerkraftmassepartikel freischalten. Alle bisher gefundenen Teilchen und Antiteilchen haben eine positive Masse, aber diese Massen sind träge, das heißt, sie können erst beurteilt werden, wenn das Teilchen erzeugt oder beschleunigt wird. Trägheitsmasse und Gravitationsmasse sind für alle uns bekannten Teilchen gleich, aber wir haben unsere Idee nie an Antimaterie oder Antiteilchen getestet.
Derzeit werden in diesem Bereich Experimente durchgeführt. Das ALPHA-Experiment am CERN hat Antiwasserstoff geschaffen: eine stabile Form neutraler Antimaterie, und arbeitet daran, es von allen anderen Teilchen zu isolieren. Wenn das Experiment empfindlich genug ist, können wir messen, wie ein Antiteilchen in ein Gravitationsfeld eintritt. Wenn es herunterfällt, wie gewöhnliche Materie, dann hat es eine positive Gravitationsmasse und kann zum Aufbau eines Gravitationsleiters verwendet werden. Wenn es in einem Gravitationsfeld nach oben fällt, verändert es alles. Nur ein Ergebnis, und künstliche Schwerkraft könnte plötzlich möglich werden.

Die Möglichkeit, künstliche Schwerkraft zu erhalten, ist für uns unglaublich attraktiv, basiert jedoch auf der Existenz einer negativen Gravitationsmasse. Antimaterie mag eine solche Masse haben, aber wir haben sie noch nicht bewiesen.

Wenn Antimaterie eine negative Gravitationsmasse hat, könnten wir durch die Schaffung eines Feldes aus normaler Materie und einer Decke aus Antimaterie ein künstliches Schwerkraftfeld erzeugen, das Sie immer nach unten zieht. Indem wir eine gravitativ leitende Hülle in Form der Hülle unseres Raumfahrzeugs schaffen, würden wir die Besatzung vor den Kräften ultraschneller Beschleunigung schützen, die andernfalls tödlich wären. Und das Beste ist, dass die Menschen im Weltraum nicht mehr die negativen physiologischen Auswirkungen erfahren würden, unter denen Astronauten heute leiden. Aber bis wir ein Teilchen mit negativer Gravitationsmasse finden, wird künstliche Schwerkraft nur durch Beschleunigung erreicht.

Auch wenn Sie sich nicht besonders für den Weltraum interessieren, ist die Wahrscheinlichkeit groß, dass Sie ihn in Filmen gesehen, in Büchern darüber gelesen oder Spiele gespielt haben, in denen der Weltraum ein wichtiges Thema ist. Gleichzeitig gibt es in den meisten Werken einen Punkt, der in der Regel als selbstverständlich angesehen wird – die Schwerkraft auf einem Raumschiff. Aber ist es so einfach und offensichtlich, wie es auf den ersten Blick scheint?

Zunächst ein wenig Hardware. Wenn man sich nicht über den Schulunterricht hinaus mit Physik beschäftigt (und das wird uns heute völlig ausreichen), dann ist die Schwerkraft das grundlegende Zusammenspiel von Körpern, dank derer sie sich alle gegenseitig anziehen. Massivere ziehen stärkere an, weniger massive ziehen schwächere an.

Materie

In unserem Fall ist Folgendes wichtig. Die Erde ist ein massives Objekt, daher werden Menschen, Tiere, Gebäude, Bäume, Grashalme und der Computer, auf dem Sie dies lesen, alle von der Erde angezogen. Wir sind daran gewöhnt und denken eigentlich nie über solche scheinbaren Kleinigkeiten nach. Die Hauptkonsequenz der Schwerkraft der Erde für uns ist Erdbeschleunigung, auch bekannt als G und gleich 9,8 m/s². Diese. Jeder Körper beschleunigt ohne Unterstützung gleichermaßen in Richtung Erdmittelpunkt und erreicht eine Geschwindigkeit von 9,8 m/s pro Sekunde.

Diesem Effekt ist es zu verdanken, dass wir aufrecht auf unseren Füßen stehen, die Konzepte „oben“ und „unten“ beherrschen, Dinge auf den Boden fallen lassen usw. Tatsächlich würden sich viele Arten menschlicher Aktivitäten erheblich verändern, wenn die Schwerkraft der Erde beseitigt würde.

Dies ist vor allem Astronauten bekannt, die einen erheblichen Teil ihres Lebens auf der ISS verbringen. Sie müssen viele Dinge neu lernen, von der Art, wie sie trinken, bis hin zur Art und Weise, wie sie verschiedene physiologische Bedürfnisse erfüllen. Hier sind einige Beispiele.

Gleichzeitig existiert in vielen Filmen, Fernsehserien, Spielen und anderen Science-Fiction-Kunstwerken die Schwerkraft auf Raumschiffen „einfach“. Es wird als selbstverständlich angesehen und oft macht man sich nicht einmal die Mühe, es zu erklären. Und wenn sie es erklären, ist es irgendwie nicht überzeugend. So etwas wie „Schwerkraftgeneratoren“, deren Funktionsprinzip etwas mystischer als vollständig ist, sodass sich dieser Ansatz tatsächlich kaum von der „Schwerkraft auf einem Schiff“ unterscheidet. einfach da" Mir scheint, dass es irgendwie ehrlicher ist, überhaupt nichts zu erklären.

Theoretische Modelle der künstlichen Schwerkraft

Das alles bedeutet aber nicht, dass niemand versucht, die künstliche Schwerkraft überhaupt zu erklären. Wenn Sie darüber nachdenken, können Sie es auf verschiedene Arten erreichen.

Viel Masse

Die erste und „richtigste“ Option besteht darin, das Schiff sehr massiv zu machen. Diese Methode kann als „richtig“ angesehen werden, da es die Gravitationswechselwirkung ist, die den notwendigen Effekt liefert.

Gleichzeitig ist meiner Meinung nach die Unwirklichkeit dieser Methode offensichtlich. Für ein solches Schiff benötigen Sie viel Material. Und mit der Verteilung des Gravitationsfeldes (und wir brauchen eine gleichmäßige Verteilung) muss etwas entschieden werden.

Konstante Beschleunigung

Da wir eine konstante Erdbeschleunigung von 9,8 m/s² erreichen müssen, warum nicht das Raumschiff in Form einer Plattform bauen, die damit senkrecht zu ihrer Ebene beschleunigt? G? Auf diese Weise wird der gewünschte Effekt zweifellos erzielt.

Aber es gibt ein paar offensichtliche Probleme. Zunächst müssen Sie irgendwo Kraftstoff besorgen, um eine konstante Beschleunigung zu gewährleisten. Und selbst wenn jemand plötzlich einen Motor entwickelt, der keine Emission von Materie erfordert, hat niemand das Energieerhaltungsgesetz aufgehoben.

Das zweite Problem liegt in der Natur der konstanten Beschleunigung. Erstens ist es nach unserem derzeitigen Verständnis der physikalischen Gesetze unmöglich, ewig zu beschleunigen. Die Relativitätstheorie wird stark bekämpft. Zweitens muss das Schiff, selbst wenn es regelmäßig die Richtung ändert, ständig irgendwohin fliegen, um künstliche Schwerkraft bereitzustellen. Diese. Von schwebenden Planeten in der Nähe kann keine Rede sein. Das Schiff wird gezwungen sein, sich wie eine Spitzmaus zu verhalten, die, wenn sie anhält, stirbt. Daher passt diese Option nicht zu uns.

Karussell-Karussell

Und hier beginnt der Spaß. Ich bin sicher, dass sich jeder der Leser vorstellen kann, wie das Karussell funktioniert und welche Auswirkungen ein Mensch darin erleben kann. Alles, was sich darauf befindet, neigt dazu, proportional zur Rotationsgeschwindigkeit herauszuspringen. Aus Sicht des Karussells stellt sich heraus, dass alles von einer entlang des Radius gerichteten Kraft beeinflusst wird. Eine ziemliche „Schwerkraft“-Sache.

Also brauchen wir ein tonnenförmiges Schiff, das sich um seine Längsachse dreht. Solche Optionen sind in der Science-Fiction weit verbreitet, daher ist die Welt der Science-Fiction im Hinblick auf die Erklärung der künstlichen Schwerkraft nicht so hoffnungslos.

Also etwas mehr Physik. Bei der Drehung um eine Achse entsteht eine entlang des Radius gerichtete Zentrifugalkraft. Durch einfache Berechnungen (Kraft durch Masse dividieren) erhalten wir die gewünschte Beschleunigung. Das Ganze berechnet sich nach einer einfachen Formel:

a=ω²R,

Wo A— Beschleunigung, R- Rotationsradius, a, ω - Winkelgeschwindigkeit, gemessen im Bogenmaß pro Sekunde. Ein Bogenmaß beträgt etwa 57,3 Grad.

Was brauchen wir für ein normales Leben auf unserem imaginären Raumkreuzer? Wir benötigen eine solche Kombination aus Schiffsradius und Winkelgeschwindigkeit, dass sich als Produkt insgesamt 9,8 m/s² ergeben.

Ähnliches konnten wir in vielen Werken sehen: „2001: Odyssee im Weltraum“ Stanley Kubrick, Serie „Babylon 5“, Nolans « » , Roman „Ringwelt“ Larry Niven, Universum und andere. In allen ist die Erdbeschleunigung ungefähr gleich G, also ist alles ganz logisch. Allerdings haben auch diese Modelle Probleme.

Probleme im „Karussell“

Das offensichtlichste Problem lässt sich vielleicht am einfachsten erklären "Odyssee im Weltraum". Der Radius des Schiffes beträgt ca. 8 Meter. Mit einfachen Berechnungen stellen wir fest, dass zum Erreichen einer Beschleunigung von g eine Winkelgeschwindigkeit von etwa 1,1 rad/s erforderlich ist, was etwa 10,5 Umdrehungen pro Minute entspricht.

Mit diesen Parametern stellt sich heraus, dass Corioliskraft. Ohne auf technische Details einzugehen, besteht das Problem darin, dass in unterschiedlichen „Höhen“ vom Boden unterschiedliche Kräfte auf sich bewegende Körper wirken. Und es hängt von der Winkelgeschwindigkeit ab. Daher können wir es uns in unserem virtuellen Entwurf nicht leisten, das Schiff zu schnell zu drehen, da dies mit Problemen behaftet ist, die von plötzlichen, unintuitiven Stürzen bis hin zu Problemen mit dem Vestibularsystem reichen. Und unter Berücksichtigung der oben genannten Beschleunigungsformel können wir uns einen kleinen Radius des Schiffes nicht leisten. Daher wird das Weltraum-Odyssee-Modell nicht mehr benötigt. Ungefähr das gleiche Problem mit Schiffen von „Interstellar“, obwohl bei den Zahlen nicht alles so offensichtlich ist.

Das zweite Problem liegt sozusagen auf der anderen Seite des Spektrums. Im Roman Larry Niven „Ringwelt“ Das Schiff ist ein riesiger Ring mit einem Radius, der ungefähr dem Radius der Erdumlaufbahn entspricht (1 AE ≈ 149 Millionen km). Es stellt sich also heraus, dass es sich mit einer durchaus zufriedenstellenden Geschwindigkeit dreht, sodass der Coriolis-Effekt für den Menschen unsichtbar ist. Alles scheint zu passen, aber eines gibt es Aber. Um eine solche Struktur zu schaffen, benötigen Sie ein unglaublich starkes Material, das enormen Belastungen standhalten muss, denn eine Umdrehung sollte etwa 9 Tage dauern. Die Menschheit weiß nicht, wie sie eine ausreichende Festigkeit einer solchen Struktur gewährleisten kann. Ganz zu schweigen von der Tatsache, dass man irgendwo so viel Materie nehmen und das Ganze aufbauen muss.

Ringwelt

Im Falle von Heiligenschein oder „Babylon 5“ Alle bisherigen Probleme scheinen nicht vorhanden zu sein. Und die Rotationsgeschwindigkeit reicht aus, damit sich der Coriolis-Effekt nicht negativ auswirkt, und es ist grundsätzlich möglich, ein solches Schiff zu bauen (zumindest theoretisch). Aber diese Welten haben auch ihre Schattenseiten. Sein Name ist Drehimpuls.

Station von Babylon 5

Indem wir das Schiff um seine Achse drehen, verwandeln wir es in ein riesiges Gyroskop. Und es ist bekanntermaßen ziemlich schwierig, einen Kreisel aus seiner Achse abzulenken. Alles genau wegen des Drehimpulses, dessen Betrag im System erhalten bleiben muss. Das bedeutet, dass es schwierig sein wird, irgendwohin in eine bestimmte Richtung zu fliegen. Aber auch dieses Problem lässt sich lösen.

Es sollte sein

Diese Lösung heißt „O’Neills Zylinder“. Sein Design ist recht einfach. Wir nehmen zwei identische Zylinderschiffe, die entlang einer Achse verbunden sind und sich jeweils in eine eigene Richtung drehen. Dadurch haben wir einen Gesamtdrehimpuls von Null, was bedeutet, dass es keine Probleme geben sollte, das Schiff in die gewünschte Richtung zu lenken. Bei einem Schiffsradius von ca. 500 m (wie in Babylon 5) oder mehr sollte alles wie gewohnt funktionieren.

Gesamt

Welche Schlussfolgerungen können wir also darüber ziehen, wie künstliche Schwerkraft in Raumfahrzeugen implementiert werden sollte? Von allen Implementierungen, die in verschiedenen Arten von Werken vorgeschlagen werden, ist die rotierende Struktur die realistischste, bei der die „nach unten“ gerichtete Kraft durch die Zentripetalbeschleunigung bereitgestellt wird. Unter Berücksichtigung unseres modernen Verständnisses der Gesetze der Physik ist es nicht möglich, künstliche Schwerkraft auf einem Schiff mit flachen parallelen Strukturen wie Decks zu erzeugen (wie es oft in verschiedenen Science-Fiction-Filmen dargestellt wird).

Der Radius des sich drehenden Schiffes muss so groß sein, dass der Coriolis-Effekt klein genug ist, um den Menschen nicht zu beeinträchtigen. Gute Beispiele aus Fantasiewelten sind die bereits genannten Heiligenschein Und Babylon 5.

Um solche Schiffe zu steuern, müssen Sie einen O’Neill-Zylinder bauen – zwei „Fässer“, die sich in verschiedene Richtungen drehen, um dem System einen Gesamtdrehimpuls von Null zu verleihen. Dies ermöglicht eine angemessene Kontrolle des Schiffes.

Insgesamt haben wir ein sehr realistisches Rezept, um Astronauten angenehme Gravitationsbedingungen zu bieten. Und bis wir so etwas tatsächlich bauen können, würde ich mir wünschen, dass die Macher von Spielen, Filmen, Büchern und anderen Werken zum Thema Weltraum dem physischen Realismus mehr Aufmerksamkeit schenken.

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Platzieren Sie einen Menschen im Weltraum, entfernt von den Gravitationsbindungen der Erdoberfläche, und er wird Schwerelosigkeit erleben. Obwohl alle Massen des Universums immer noch eine Gravitationskraft auf ihn ausüben, werden sie auch jedes Raumschiff anziehen, in dem sich die Person befindet, sodass sie schweben wird. Und doch zeigten sie uns im Fernsehen, dass die Besatzung eines bestimmten Raumschiffs unter allen Bedingungen recht erfolgreich mit den Füßen auf dem Boden geht. Zu diesem Zweck wird künstliche Schwerkraft genutzt, die durch Installationen an Bord eines fantastischen Schiffes erzeugt wird. Wie nah ist das an der echten Wissenschaft?

Kapitän Gabriel Lorca auf der Brücke der Discovery während einer Scheinschlacht mit den Klingonen. Die gesamte Besatzung wird von der künstlichen Schwerkraft angezogen, und das ist sozusagen schon Kanon

In Bezug auf die Schwerkraft war Einsteins große Entdeckung das Äquivalenzprinzip: Bei gleichmäßiger Beschleunigung ist das Bezugssystem nicht vom Gravitationsfeld zu unterscheiden. Wenn Sie in einer Rakete sitzen und das Universum nicht durch das Fenster sehen könnten, hätten Sie keine Ahnung, was passiert: Wurden Sie von der Schwerkraft nach unten gezogen, oder beschleunigte die Rakete in eine bestimmte Richtung? Dies war die Idee, die zur allgemeinen Relativitätstheorie führte. Nach 100 Jahren ist dies die genaueste Beschreibung von Schwerkraft und Beschleunigung, die wir kennen.

Das identische Verhalten einer zu Boden fallenden Kugel in einer fliegenden Rakete (links) und auf der Erde (rechts) verdeutlicht Einsteins Äquivalenzprinzip

Es gibt nur eine Sache. Diese drei Arten der Beschleunigung – Gravitation, Linear und Rotation – sind die einzigen, mit denen wir die Auswirkungen der Schwerkraft simulieren können. Und das ist ein großes Problem für ein Raumschiff.

Das Konzept der Station von 1969, die aus den abgeschlossenen Phasen des Apollo-Programms im Orbit aufgebaut werden sollte. Die Station sollte sich um ihre Mittelachse drehen, um künstliche Schwerkraft zu erzeugen

Der Start der Raumfähre Columbia im Jahr 1992 zeigte, dass die Beschleunigung über einen langen Zeitraum erfolgt. Die Beschleunigung des Raumfahrzeugs wird um ein Vielfaches höher sein und der menschliche Körper wird damit nicht zurechtkommen

Wenn nur die Schwerkraft genauso funktionieren würde.

Es gibt einfach keinen Gravitationsleiter, und es ist auch nicht möglich, sich vor der Schwerkraft zu schützen. Es ist unmöglich, in einem Raumbereich, beispielsweise zwischen zwei Platten, ein gleichmäßiges Gravitationsfeld zu erzeugen. Warum? Denn im Gegensatz zur elektrischen Kraft, die durch positive und negative Ladungen erzeugt wird, gibt es bei der Gravitationsladung nur eine Art von Ladung, und zwar Masse-Energie. Die Schwerkraft zieht immer an und es gibt kein Entrinnen vor ihr. Sie können nur drei Arten der Beschleunigung verwenden: Gravitation, Linear und Rotation.

Die überwiegende Mehrheit der Quarks und Leptonen im Universum besteht aus Materie, aber jedes von ihnen enthält auch Antiteilchen aus Antimaterie, deren Gravitationsmassen noch nicht bestimmt wurden

Derzeit werden in diesem Bereich Experimente durchgeführt. Das ALPHA-Experiment am CERN hat Antiwasserstoff geschaffen: eine stabile Form neutraler Antimaterie, und arbeitet daran, es von allen anderen Teilchen zu isolieren. Wenn das Experiment empfindlich genug ist, können wir messen, wie ein Antiteilchen in ein Gravitationsfeld eintritt. Wenn es herunterfällt, wie gewöhnliche Materie, dann hat es eine positive Gravitationsmasse und kann zum Aufbau eines Gravitationsleiters verwendet werden. Wenn es in einem Gravitationsfeld nach oben fällt, verändert es alles. Nur ein Ergebnis, und künstliche Schwerkraft könnte plötzlich möglich werden.

Die Möglichkeit, künstliche Schwerkraft zu erhalten, ist für uns unglaublich attraktiv, basiert jedoch auf der Existenz einer negativen Gravitationsmasse. Antimaterie könnte diese Masse haben, aber wir haben es noch nicht bewiesen

31. Okt. 2017 Gennadi

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