لماذا لم يقم أحد ببناء مركبة فضائية دوارة لمحاكاة الجاذبية؟
إن دوران مركبة فضائية بأكملها أمر مكلف ، ولكن يمكن بسهولة تدوير المساحات الصغيرة في المحطات الفضائية أو السفن.
هل يمكن أن تكون تلك المساحات الصغيرة كبيرة بما يكفي لتوفير جاذبية صناعية مفيدة وصحية؟
من معرفتي بالفيزياء أتذكر أن الجاذبية والتسارع متماثلان.
إذا كنت أتذكر بشكل صحيح ، فإن 1 جم يساوي تسارع 9.81 م / ثانية في الثانية. بعبارة أخرى ، يجب تدوير عجلة يبلغ محيطها 10 أمتار مرة واحدة في الثانية تقريبًا لمحاكاة 1 جرام في حالة انعدام الجاذبية؟ ليس تماما.
للأسف ، الأمر أكثر تعقيدًا قليلاً من ذلك ، ولحسن الحظ لا يتعين علينا تدوير العجلة بهذه السرعة. هذه مكافأة!
فيما يلي بعض الآلات الحاسبة المفيدة لحساب أحجام العجلات ومعدلات الدوران لمحاكاة الجاذبية الأرضية:
SpinCalc، يحل للجاذبية ، ونصف القطر ومعدل الدوران ،
حاسبة الدائرة، يحل للقطر ونصف القطر والمحيط.
يبلغ قطر العجلة التي يبلغ محيطها 10 أمتار 3.18 مترًا. سيكون هذا حجمًا مفيدًا لتجارب الجاذبية الاصطناعية ، حتى على الأرض.
هل سيكون من المريح قضاء أي وقت في هذا؟ يجب أن تدور العجلة عند حوالي 24 دورة في الدقيقة لمحاكاة 1 جرام. يمكن تقسيمها إلى أسرة 1 × 2 متر ، وتتسع لعشرة أفراد.
لذلك ، على الأقل خلال فترة الراحة ، سيستفيد رواد الفضاء من الجاذبية العادية. رواد الفضاء مستلقون على الجزء الداخلي من العجلة ، كما هو الحال في الرسم التوضيحي لركوب المعارض ولكن بمزيد من الخصوصية.
هل من الممكن بناء وحدات الجاذبية الأسطوانية الصغيرة هذه؟
كيف سيكون رد فعل جسم الإنسان؟ (الجاذبية الاصطناعية بواسطة أجهزة الطرد المركزي).
نحن نعلم أن الآثار السلبية لانعدام الجاذبية هي بالفعل خطيرة ومتعددة. حتى 2.5 ساعة من التمارين اليومية على جهاز المشي غير كافية للوقاية من هذه الآثار:
- إعادة توزيع السوائل: تتحول سوائل الجسم من الأطراف السفلية نحو الرأس. هذا يعجل العديد من المشاكل الموضحة أدناه.
- فقدان السوائل: يفسر الدماغ زيادة السوائل في منطقة الرأس على أنها زيادة في إجمالي حجم السائل. ردا على ذلك ، فإنه ينشط آليات الإخراج.
- اختلالات المنحل بالكهرباء: تؤدي التغييرات في توزيع السوائل إلى اختلالات في البوتاسيوم والصوديوم وتعكير صفو النظام التنظيمي اللاإرادي.
- تغيرات القلب والأوعية الدموية: تؤدي زيادة السوائل في منطقة الصدر في البداية إلى زيادة حجم البطين الأيسر والناتج القلبي. عندما يسعى الجسم إلى توازن جديد ، يُفرز السائل ، ويتقلص البطين الأيسر وينخفض النتاج القلبي.
- فقدان خلايا الدم الحمراء: أشارت عينات الدم المأخوذة قبل وبعد الرحلات الجوية الأمريكية والسوفيتية إلى فقد ما يصل إلى 0.5 لتر من خلايا الدم الحمراء.
- تلف العضلات: ضمور العضلات من قلة الاستخدام. يتم فقدان البروتينات المقلصة وتتقلص الأنسجة. قد يكون فقدان العضلات مصحوبًا بتغيير في نوع العضلات.
- تلف العظام: نظرًا لأن المتطلبات الميكانيكية للعظام تنخفض بشكل كبير في الجاذبية الدقيقة ، فإن العظام تتحلل أساسًا.
- فرط كالسيوم الدم: يتآمر فقدان السوائل ونزع المعادن من العظام لزيادة تركيز الكالسيوم في الدم.
- تغييرات جهاز المناعة: قد يؤدي فقدان وظيفة الخلايا التائية إلى إعاقة مقاومة الجسم للسرطان - وهو خطر يتفاقم بسبب بيئة الفضاء عالية الإشعاع.
- التدخل في الإجراءات الطبية: تصبح أغشية الخلايا البكتيرية أكثر سمكًا وأقل نفاذية ، مما يقلل من فعالية المضادات الحيوية.
- الدوار والارتباك المكاني: بدون مرجع جاذبية ثابت ، يواجه أفراد الطاقم تغييرات تعسفية وغير متوقعة في إحساسهم بالعمودية.
- متلازمة التكيف مع الفضاء: حوالي نصف رواد الفضاء ورواد الفضاء مصابون. تشمل الأعراض الغثيان والقيء وفقدان الشهية والصداع والشعور بالضيق والنعاس والخمول والشحوب والتعرق.
- فقدان القدرة على ممارسة الرياضة: قد يكون هذا بسبب انخفاض الدافع وكذلك التغيرات الفسيولوجية.
- تدهور حاسة الشم والذوق: تسبب زيادة السوائل في الرأس انسدادًا مشابهًا لنزلات البرد.
- فقدان الوزن: يؤدي فقدان السوائل وقلة ممارسة الرياضة وتضاؤل الشهية إلى فقدان الوزن. يميل المسافرون في الفضاء إلى عدم تناول ما يكفي من الطعام.
- انتفاخ: لا يمكن للغازات الهضمية أن "ترتفع" نحو الفم ومن المرجح أن تمر عبر الطرف الآخر من الجهاز الهضمي "بشكل فعال للغاية مع حجم وتكرار كبيرين".
- تشويه الوجه: يصبح الوجه منتفخًا ويصبح من الصعب قراءة التعبيرات ، خاصةً عند عرضها بشكل جانبي أو مقلوب.
- التغييرات في الموقف والمكانة: يقترب وضع الجسم المحايد من وضع الجنين. يميل العمود الفقري إلى الإطالة.
- التغييرات في التنسيق: التنسيق الطبيعي بين الأرض لا شعوريًا يعوض الوزن الذاتي. في حالة انعدام الوزن ، هناك ميل للوصول إلى "مرتفع" للغاية.
بالمقارنة مع هذه الآثار الضارة لانعدام الجاذبية ، إليك بعض الدراسات التي أجراها عالم نفس يُدعى Graybiel من عام 1977 حول تأثيرات دوران الإنسان على محوره الخاص هنا على الأرض ، مثل البصق (من https://psycnet.apa.org/record/1980-22567-001).
مناطق راحة الدوران GRAYBIEL
استنتج Graybiel ذلك
1.0 دورة في الدقيقة: حتى الموضوعات شديدة الحساسية كانت خالية من الأعراض ، أو تقريبًا
3.0 دورة في الدقيقة: عانى الأشخاص من الأعراض
5.4 دورة في الدقيقة ، فقط الموضوعات ذات الحساسية المنخفضة تؤدي أداءً جيدًا
10 دورة في الدقيقة ، يمثل التكيف مشكلة صعبة ولكنها مثيرة للاهتمام. حتى الطيارون الذين ليس لديهم تاريخ من أمراض الهواء لم يتكيفوا بشكل كامل في فترة اثني عشر يومًا.
"التكيف" الذي يتحدث عنه جرايبيل هو التعود على غياب الدوران ، بعد أن تم لف الجسد.
ما نشعر به وكأننا نتذكره جميعًا منذ الطفولة:
يجب أن أقول إن البصاق الذي يدور الإنسان على محوره الأفقي تحت تأثير الجاذبية الأرضية من المرجح أن يكون بعيدًا جدًا عما قد يختبره الإنسان في أسطوانة الجاذبية الاصطناعية في الفضاء عديم الوزن.
سأذهب إلى حد القول إن مناطق الراحة أثناء الدوران في Graybiel ليس لها أي علاقة على الإطلاق بالجاذبية الاصطناعية بواسطة قوة الجاذبية. كل ما أثبته في ورقته البحثية "الحركة الحسية الجسدية اللاحقة للتأثير بعد الدوران الأرضي الأفقي حول المحور Z" هو أن التأثير اللاحق للدوران السريع لشخص ما يؤدي إلى ارتباك الجهاز الدهليزي للأذن ، مما يؤدي إلى الدوار ، المعروف أيضًا باسم الدوار.
لكن دعنا نرى ما إذا كان يمكن تطبيق أرقام منطقة الراحة الخاصة بـ Graybiel.
سيبلغ قطر صاروخ SpaceX Mars 9 أمتار. هل سيكون من الممكن إنشاء موطن مريح للنوم أو الراحة للمسافرين في الفضاء داخل حدود هذا الصاروخ؟
ستحتاج أسطوانة 9 أمتار إلى الدوران بسرعة 14 دورة في الدقيقة لمحاكاة 1 جم ، أو عند 8 دورة في الدقيقة لتحقيق 1/3 من جاذبية الأرض. تشير نتائج Graybiel إلى أن المساحة المتاحة على صاروخ SpaceX Mars ستكون صغيرة جدًا.
ومع ذلك ، أعتقد أن الجاذبية (قوة الجاذبية) التي تعمل على الجسم أثناء استلقائه ، ولا تدور حول نفسه وعلى مستوى واحد ، ستكون أكثر راحة من الدوران بسرعة حول محور الفرد.
In وحدات سرير الجاذبية الأرضية لن يكون هناك تدرج تسارع من الرأس إلى القدم.
وحدات سرير الجاذبية الأرضية
تم تصميم وحدات طبقة الجاذبية الأرضية كوحدة إضافية لمركبة فضائية أو محطة فضائية ، سواء كانت في العبور أو في المدار أو على القمر أو المريخ أو الكويكبات لتوفير المزيد من الجاذبية الطبيعية.
هل تم بناء نماذج أولية لهذا المفهوم؟
بطريقة معينة: نعم! الصورة الأولى في هذا المنشور هي ساحة جذب من الخمسينيات.
هل نسيت البشرية حقًا من الخمسينيات مدى سهولة ومتعة الاستمتاع بالجاذبية الاصطناعية؟ يبدو أن زوار أرض المعارض أخضعوا أنفسهم للتجربة طواعية واستمتعوا بها.
يمكن لأجهزة الجاذبية البسيطة مثل هذه أن تساعد رواد الفضاء في الحفاظ على صحتهم بعد تعديل الجهاز.
نموذج أكبر
محطة الفضاء ذات العجلة الدوارة - ويكيبيديا
فيما يلي الحسابات على عجلة von Braun من عام 1952 المستخدمة في فيلم 2001: A Space Odyssey:
لقد تصوروا عجلة دوارة بامتداد قطرها 76 مترا (250 قدما). ستدور العجلة المكونة من 3 طوابق عند 3 دورات في الدقيقة لتوفير جاذبية اصطناعية تبلغ ثلثها. كان من المتصور أن يكون لديها طاقم من 80.
تقدم سريعًا بعد 70 عامًا (لم يحدث الكثير منذ الخمسينيات):
مركز الطرد البشري SAHC
بدأت أجهزة الطرد المركزي البشرية SAHC الاختبار والعمليات في حوالي عام 2020. وهي تهدف إلى التحقيق في مدى تحمل واستخدام الجاذبية الاصطناعية على رواد الفضاء وصحتهم ، لمواجهة آثار انعدام الوزن. ما الذي استغرق وقتا طويلا؟
يبلغ قطر الآلة 5.6 متر.
سيكون صغيرًا بما يكفي لوضعه في صاروخ SpaceX Mars. لكنها تحتاج إلى عدد قليل من المقاعد.
https://www.dlr.de/me/en/desktopdefault.aspx/tabid-1961/2779_read-14523/
جهاز طرد مركزي مع شخص اختبار الكذب
مع جهاز الطرد المركزي البشري قصير الذراع (SAHC) في كولونيا - المقدم من وكالة الفضاء الأوروبية - سيتم إنشاء الجاذبية الاصطناعية لتحمل تكاليف البحوث الأساسية في الطب وعلم وظائف الأعضاء البشرية. ينصب التركيز الرئيسي على إمكانية تمديد دراسات الراحة في الفراش ، على سبيل المثال ، لاختبار طرق التدابير المضادة القائمة على الجاذبية الصناعية للمخاطر الطبية بسبب انعدام الوزن.
البيانات الفنية:
الأعلى. نصف القطر في المحيط الخارجي: 2,8،XNUMX م
الأعلى. الحمولة الإجمالية: 550 كجم
الأعلى. تسارع الطرد المركزي
(مستوى القدم ، ارتفاع موضوع الاختبار 185 سم): 4.5 جم
الأعلى. ثورة دوار أجهزة الطرد المركزي
(حد البرنامج): 39 دورة في الدقيقة
التطبيقات العلمية
- تطوير إجراءات مضادة فعالة للتنكس العصبي العضلي والهيكل العظمي لرواد الفضاء باستخدام الجاذبية الاصطناعية ، إلخ ...
هذا مقال بقلم Erich Habich-Traut لمشروع الاتصال ،
https://contactproject.org
