Bez rozwiązania problemu grawitacji trudno wyobrazić sobie dłuższe przebywanie człowieka w Kosmosie. Każdy pomysł na dalekie podróże kosmiczne musi uwzględniać zapewnienie warunków zbliżonych do tego co mamy na Ziemi.
Kluczem do wytworzenia sztucznej grawitacji ma być siła odśrodkowa wygenerowana przez ruch obrotowy statku lub stacji kosmicznej, których prędkość i promień obrotu będą naśladować grawitację na Ziemi. Obrót przesuwa dowolne ciało wewnątrz takiego obiektu w kierunku jego ścian przeciwległych do osi obrotu, nadając wrażenie ciążenia grawitacyjnego. Zjawisko to często opisywane jest jako siła odśrodkowa, będąca wynikiem bezwładności ciała poruszającego się w obszarze tego układu. Tak więc, sztuczna grawitacja działająca na ciało jest prostą siłą oporu ciała na ścianach statku, przeciwdziałającą sile odśrodkowej, zgodnie z III prawem Newtona. Ważnym aspektem takiego projektu jest wielkość tego, co nazywa się gradientem przyspieszenia grawitacyjnego. Aby jak najdokładniej odwzorować grawitację doświadczaną przez ludzi na Ziemi, należy zwiększyć promień i rotację statku, zmniejszając tym samym wartość gradientu przyspieszenia. Zmusza to projektantów do znalezienia kompromisu pomiędzy możliwościami technicznymi wielkości statku, a kosztami przedsięwzięcia.
Badania nad sztuczną grawitacją i jej wpływem na człowieka prowadzone są od wielu lat. Pomysł stworzenia siedlisk w kosmosie, w którym ludzie mogliby żyć w komforcie jak na Ziemi, był badany dziesiątki lat przed rozpoczęciem programu kosmicznego. W 1883 roku, dekady przed rozpoczęciem programu kosmicznego, Konstantin Ciołkowski badał różne sposoby zapewnienia możliwości tworzenia siedlisk w kosmosie, w których ludzie mogliby żyć w komforcie podobnym do tego na Ziemi. Jego książka „Свободное пространство” („Wolna przestrzeń”) zawiera rysunki prostej obrotowej struktury zaprojektowanej w celu naśladowania grawitacji za pomocą siły odśrodkowej. W 1928 roku słoweński naukowiec Herman Potočnik, publikujący pod pseudonimem Hermann Noordung, opublikował szczegółowe plany stacji kosmicznej z modułem symulującym grawitację, oparte na koncepcji Hermanna Obertha. Noordung zmarł w 1929 roku, a jego praca zainspirowała Wernera von Brauna do zaprojektowania stacji kosmicznej w kształcie dysku o średnicy 76 m, orbitującej wokół Ziemi na wysokości 1730 km nad Ziemią. Siedlisko miało obracać się z prędkością 3 RPM (obrotów na minutę) i zapewniać przyspieszenie odśrodkowe 0,3G ziemskiego. Jak później odkryto, planowana orbita znajdowała się w pasie Van Allena, który w tamtym czasie był nieznany. Już w latach pięćdziesiątych ubiegłego wieku, zespół kierowany przez Siergieja Korolowa rozpoczął prace nad pojazdem do podróży międzyplanetarnych. Ciężki międzyplanetarny załogowy statek kosmiczny miał mieć trzech pasażerów i obrotowy moduł o średnicy sześciu metrów. Budowa tego statku kosmicznego była planowana na lata 1962-1965. Niestety, po przedwczesnej śmierci Korolowa w 1966 roku, plan ten został porzucony.
Szczegółem odróżniającym sztuczną grawitację od prawdziwej grawitacji jest siła Coriolisa, która działa na kosmonautę, gdy zmienia się jego odległość od osi obrotu układu, w którym się znajduje. Zbliżając się do tej osi ze stałą prędkością, kosmonauta czuje się tak, jakby wspinał się na górę, której nachylenie staje się coraz bardziej strome; mijając ją, zaczyna odnosić wrażenie, jakby schodził z tej góry. Dzieje się tak, ponieważ zmniejszając odległość od osi obrotu, siła odśrodkowa działająca na ludzkie ciało jest zmniejszona, ale siła Coriolisa pozostaje taka sama, więc kosmonauta odczuwa grawitację w jednym kierunku, nawet jeśli znajduje się na osi obrotu. Ważną kwestią jest to, jak sztuczna grawitacja wpływa na ludzkie ciało. Wspomniane wcześniej gradienty przyspieszenia odgrywają ważną rolę w tym, jak jest odczuwana przez kosmonautów. Im większy gradient przyspieszenia, tym większa różnica w siłach odśrodkowych działających na części ciała w różnych odległościach od osi obrotu. Istotne jest, aby stopy odczuwały takie samo przyspieszenie jak głowa. Jest to szczególnie istotne dla prawidłowego funkcjonowania układu krążeniowo-oddechowego. Siły te działają na ucho wewnętrzne i mogą powodować zawroty głowy, nudności i dezorientację. Ogólnie stwierdzono, że przy 2 obrotach na minutę lub mniej nie występują negatywne skutki siły Coriolisa. Aspektem, o którym warto wspomnieć, jest wpływ modułów odśrodkowych o małym promieniu na mózg. Po pierwsze, obecność siły Coriolisa powoduje brak równowagi. Móżdżek wyczuwa grawitację, ale jej wektor nie jest prostopadły do podłoża. Po drugie, częste ruchy głowy, gdy ciało jest wystawione na wirującą sztuczną grawitację, mogą powodować zaburzenia funkcji poznawczych. Chociaż sztuczna grawitacja ma negatywny wpływ na organizm ludzki, istnieją również jej pozytywne skutki. Podczas długotrwałych lotów kosmicznych sztuczna grawitacja w połączeniu z regularnymi treningami sprawi, że organizm kosmonauty będzie znacznie lepiej radził sobie z adaptacją do grawitacji 1G po powrocie na Ziemię.
za: whatnext.pl; kosmonauta.net; postposmo.com
fot.: postposmo.com
