¿Por qué nadie ha construido naves espaciales giratorias para simular la gravedad?
La rotación de una nave espacial completa es costosa, pero los espacios pequeños en las estaciones espaciales o las naves podrían rotarse fácilmente.
¿Pueden esos pequeños espacios ser lo suficientemente grandes como para proporcionar una gravedad artificial significativa y saludable?
De mis conocimientos de física recuerdo que la gravedad y la aceleración son lo mismo.
Si no recuerdo mal, 1 g es igual a una aceleración de 9.81 m/s por segundo. En otras palabras, una rueda con una circunferencia de 10 metros tendría que girar una vez por segundo para simular 1 g en gravedad cero. No exactamente.
Por desgracia, es un poco más complicado que eso y, afortunadamente, no tenemos que girar la rueda tan rápido. ¡Eso es un bono!
Aquí hay algunas calculadoras útiles para calcular los tamaños de las ruedas y las tasas de rotación para simular la gravedad de la Tierra:
SpinCalc, resuelve la gravedad, el radio y la tasa de rotación,
Calculadora circular, resuelve para diámetro, radio y circunferencia.
Una rueda con una circunferencia de 10 metros tendría un diámetro de 3.18 metros. Este sería un tamaño útil para experimentos de gravedad artificial, incluso en la Tierra.
¿Sería cómodo pasar algún tiempo en esto? La rueda debe girar a unas 24 RPM para simular 1 g. Se podría compartimentar en camas de 1 x 2 metros, con capacidad para diez tripulantes.
Entonces, al menos durante su período de descanso, los viajeros espaciales tendrían el beneficio de la gravedad normal. Los astronautas están acostados en el interior de la rueda, un poco como en la ilustración de la atracción de feria pero con más privacidad.
¿Es factible construir unidades de gravedad de tambor tan pequeñas?
¿Cómo reaccionaría el cuerpo humano? (Gravedad artificial por centrífuga).
Sabemos que los efectos negativos de la gravedad cero son realmente graves y numerosos. Incluso 2.5 horas de ejercicio diario en cinta rodante son insuficientes para prevenir estos efectos:
- redistribución de fluidos: Los fluidos corporales se desplazan desde las extremidades inferiores hacia la cabeza. Esto precipita muchos de los problemas que se describen a continuación.
- pérdida de líquidos: El cerebro interpreta el aumento de líquido en el área cefálica como un aumento en el volumen total de líquido. En respuesta, activa los mecanismos excretores.
- desequilibrios electrolíticos: Los cambios en la distribución de líquidos provocan desequilibrios en el potasio y el sodio y alteran el sistema regulador autónomo.
- cambios cardiovasculares: Un aumento de líquido en el área torácica conduce inicialmente a aumentos en el volumen del ventrículo izquierdo y el gasto cardíaco. A medida que el cuerpo busca un nuevo equilibrio, se excreta líquido, el ventrículo izquierdo se contrae y el gasto cardíaco disminuye.
- pérdida de glóbulos rojos: Las muestras de sangre tomadas antes y después de los vuelos estadounidenses y soviéticos han indicado una pérdida de hasta 0.5 litros de glóbulos rojos.
- daño muscular: Los músculos se atrofian por falta de uso. Las proteínas contráctiles se pierden y el tejido se encoge. La pérdida de masa muscular puede ir acompañada de un cambio en el tipo de músculo.
- daño óseo: Debido a que las demandas mecánicas de los huesos se reducen considerablemente en la microgravedad, los huesos esencialmente se disuelven.
- hipercalcemia: La pérdida de líquidos y la desmineralización ósea conspiran para aumentar la concentración de calcio en la sangre.
- Cambios en el sistema inmunológico: La pérdida de la función de las células T puede obstaculizar la resistencia del cuerpo al cáncer, un peligro exacerbado por el entorno de alta radiación del espacio.
- interferencia con los procedimientos médicos: Las membranas de las células bacterianas se vuelven más gruesas y menos permeables, lo que reduce la eficacia de los antibióticos.
- vértigo y desorientación espacial: Sin una referencia gravitatoria estable, los miembros de la tripulación experimentan cambios arbitrarios e inesperados en su sentido de la verticalidad.
- síndrome de adaptación espacial: Aproximadamente la mitad de todos los astronautas y cosmonautas están afectados. Los síntomas incluyen náuseas, vómitos, anorexia, dolor de cabeza, malestar general, somnolencia, letargo, palidez y sudoración.
- pérdida de la capacidad de ejercicio: Esto puede deberse a una disminución de la motivación, así como a cambios fisiológicos.
- Sentido del olfato y del gusto degradado: El aumento de líquidos en la cabeza provoca una congestión similar a un resfriado.
- pérdida de peso: La pérdida de líquidos, la falta de ejercicio y la disminución del apetito dan como resultado la pérdida de peso. Los viajeros espaciales tienden a no comer lo suficiente.
- flatulencia: El gas digestivo no puede “subir” hacia la boca y es más probable que pase por el otro extremo del tracto digestivo “muy efectivamente con gran volumen y frecuencia” .
- distorsión facial: La cara se hincha y las expresiones se vuelven difíciles de leer, especialmente cuando se ven de lado o al revés.
- cambios en la postura y la estatura: La postura corporal neutra se acerca a la posición fetal. La columna tiende a alargarse.
- Cambios en la coordinación: La coordinación terrestre normal compensa inconscientemente el peso propio. En la ingravidez hay una tendencia a llegar demasiado “alto”.
En comparación con estos efectos adversos de la gravedad cero, aquí hay algunos estudios realizados por un psicólogo llamado Graybiel de 1977 sobre los efectos de rotar a un humano sobre su propio eje aquí en la Tierra, como en un asador (de https://psycnet.apa.org/record/1980-22567-001).
ZONAS DE CONFORT GRAYBIEL ROTATION
Graybiel concluyó que
1.0 RPM: incluso los sujetos altamente susceptibles estaban libres de síntomas, o casi
3.0 RPM: los sujetos experimentaron síntomas
5.4 RPM, solo los sujetos con baja susceptibilidad se desempeñaron bien
10 RPM, la adaptación presentó un problema desafiante pero interesante. Incluso los pilotos sin antecedentes de mareos en el aire no se adaptaron completamente en un período de doce días.
La “adaptación” de la que habla Graybiel es acostumbrarse a la ausencia de la rotación, después de que el cuerpo haya sido girado.
Cómo se siente eso, todos lo recordamos de la infancia.:
Debo decir que escupir girando a un humano sobre su propio eje en la horizontal bajo la influencia de la gravedad de la Tierra es muy probable que esté muy lejos de lo que un humano puede experimentar en un tambor de gravedad artificial en el espacio ingrávido.
Me atrevería a decir que las zonas de confort de rotación de Graybiel no tienen absolutamente nada que ver con la gravedad artificial por fuerza centrípeta. Todo lo que demostró en su artículo "Efecto posterior del movimiento somatosensorial después de la rotación horizontal de la tierra sobre el eje Z" es que el efecto posterior de hacer girar a alguien rápidamente es la desorientación del sistema vestibular del oído, lo que provoca mareos, también conocido como vértigo.
Pero veamos si se pueden aplicar estas cifras de la zona de confort de Graybiel.
El cohete SpaceX Mars tendrá un diámetro de 9 metros. ¿Sería posible crear un hábitat cómodo para que los viajeros espaciales duerman o descansen dentro de los confines de este cohete?
Un tambor de 9 metros necesitaría girar a 14 RPM para simular 1 g, oa 8 RPM para alcanzar 1/3 de la gravedad terrestre. Los hallazgos de Graybiel indicarían que el espacio disponible en el cohete SpaceX Mars sería demasiado pequeño.
Sin embargo, creo que la gravedad (fuerza centrípeta) que actúa sobre el cuerpo cuando se acuesta, no girando sobre sí mismo y en un nivel, será más cómoda que girando rápidamente alrededor del propio eje.
In Unidades de cama de gravedad de tambor no habría gradiente de aceleración de pies a cabeza.
UNIDADES DE CAMA DE GRAVEDAD DE TAMBOR
Las unidades de cama de gravedad de tambor están concebidas como un módulo adicional para una nave espacial o estación espacial, ya sea en tránsito, en órbita o en la Luna, Marte o asteroides para proporcionar una gravedad más natural.
¿Se han construido prototipos de este concepto?
En cierto modo: ¡Sí! La primera imagen de esta publicación es una atracción de feria de la década de 1950.
¿Realmente la humanidad olvidó desde los años 50 lo fácil y divertido que es disfrutar de la gravedad artificial? Al parecer, los visitantes del recinto ferial se sometieron voluntariamente a la experiencia y la disfrutaron.
Dispositivos de gravedad simples como este podrían ayudar a los viajeros espaciales a mantener su salud, después de que se ajuste el dispositivo.
UN MODELO MÁS GRANDE
Estación espacial con rueda giratoria — Wikipedia
Estos son los cálculos de la rueda von Braun de 1952 utilizada en la película 2001: Una odisea del espacio:
Imaginaron una rueda giratoria con un diámetro de 76 metros (250 pies). La rueda de 3 pisos giraría a 3 RPM para proporcionar una gravedad artificial de un tercio. Estaba previsto que tuviera una tripulación de 80.
Avance rápido 70 años (no ha pasado mucho desde la década de 1950):
CENTRÍFUGA HUMANA SAHC
La centrífuga humana SAHC comenzó a probarse y operar alrededor de 2020. Su objetivo es investigar la tolerabilidad y el uso de la gravedad artificial en los astronautas y su salud, para contrarrestar los efectos de la ingravidez. ¿Qué ha tardado tanto?
La máquina mide 5.6 metros de diámetro.
Sería lo suficientemente pequeño como para ponerlo en el cohete SpaceX Mars. Pero necesita algunos asientos más.
https://www.dlr.de/me/en/desktopdefault.aspx/tabid-1961/2779_read-14523/
Centrífuga con persona de prueba acostada
Con la centrifugadora humana de brazo corto (SAHC) en Colonia, proporcionada por la ESA, se creará gravedad artificial para permitir la investigación fundamental en medicina y fisiología humana. El enfoque principal está en la posibilidad de ampliar, por ejemplo, los estudios de reposo en cama para probar métodos de contramedidas basadas en la gravedad artificial para los riesgos médicos debidos a la ingravidez.
Datos técnicos:
máx. radio en el perímetro exterior: 2,8 m
máx. carga útil total: 550 kg
máx. aceleración centrífuga
(nivel de los pies, altura del sujeto de prueba 185 cm): 4.5 g
máx. revolución del rotor centrífugo
(límite de software): 39 rpm
Aplicaciones científicas
- Desarrollo de contramedidas efectivas para la degeneración neuromuscular y esquelética de los astronautas usando Gravedad Artificial, etc.
Este es un artículo de Erich Habich-Traut para el Proyecto Contact,
https://contactproject.org