Η περιστροφή δύο διαστημικών θαλάμων που συνδέονται με ένα καλώδιο θα μπορούσε να προσομοιώσει τη γήινη βαρύτητα, όμως οι επιπτώσεις στον ανθρώπινο οργανισμό και οι δυσκολίες διατήρησης της σταθερότητας του συστήματος παραμένουν σημαντικά εμπόδια
Η παρατεταμένη παραμονή στο διάστημα προκαλεί σημαντικές επιπτώσεις στον ανθρώπινο οργανισμό.
Η μικροβαρύτητα οδηγεί σε απώλεια οστικής πυκνότητας και μυϊκής μάζας, επηρεάζει την ισορροπία και τον ύπνο και διαταράσσει την κατανομή των σωματικών υγρών.
Όσο περισσότερο παραμένουν οι αστροναύτες σε συνθήκες έλλειψης βαρύτητας, τόσο εντονότερες μπορεί να γίνουν αυτές οι επιπτώσεις, δυσκολεύοντας την επιστροφή τους στη ζωή στη Γη.
Μια πιθανή λύση είναι η δημιουργία τεχνητής βαρύτητας μέσω περιστροφής
Η ιδέα βασίζεται στην αρχή της ισοδυναμίας του Άλμπερτ Αϊνστάιν, σύμφωνα με την οποία η βαρύτητα και η επιτάχυνση μπορούν, υπό κατάλληλες συνθήκες, να παράγουν ισοδύναμα αποτελέσματα για έναν παρατηρητή.
Επομένως, ένα διαστημικό σύστημα που περιστρέφεται θα μπορούσε να δημιουργήσει συνθήκες παρόμοιες με εκείνες που βιώνουμε στη Γη.
Μία από τις απλούστερες προτάσεις προβλέπει τη σύνδεση δύο διαστημικών καψουλών ίσης μάζας με ένα ισχυρό καλώδιο, όπως το Kevlar.
Οι κάψουλες θα περιστρέφονταν γύρω από το κοινό κέντρο μάζας τους, δημιουργώντας κεντρομόλο επιτάχυνση. Αυτή θα παρείχε στους αστροναύτες την αίσθηση τεχνητού βάρους, χωρίς να απαιτείται η κατασκευή ενός μεγάλου περιστρεφόμενου διαστημικού σταθμού.
Η ιδέα δεν είναι καινούργια. Είχε ήδη εξεταστεί το 1929 από τον Hermann Potočnik, γνωστό ως Noordung, στο έργο του The Problem of Space Travel. Έκτοτε, η περιστροφική δημιουργία τεχνητής βαρύτητας έχει αποτελέσει αντικείμενο μελέτης επιστημόνων, μηχανικών και σχεδιαστών διαστημικών σταθμών.
Η ιδέα της σύνδεσης δύο μεγάλων μαζών με ένα καλώδιο αποτελεί τον οικονομικότερο τρόπο, με τις μικρότερες απαιτήσεις σε πόρους, για τη δημιουργία ενός περιβάλλοντος τεχνητής βαρύτητας που θα μπορούσε να φιλοξενήσει ανθρώπους στο Διάστημα. Το κατά πόσο, όμως, αυτή η τεχνολογία είναι έτοιμη για πρακτική εφαρμογή εξαρτάται από το αν οι μηχανικές μας δυνατότητες επαρκούν για τη διατήρηση της σταθερότητας του συστήματος σε αρκετά μεγάλες αποστάσεις μεταξύ των δύο μαζών, ώστε το περιβάλλον να είναι κατάλληλο για τον άνθρωπο - Πηγή εικόνας: CL Vancil/Wikimedia Commons
Η απόσταση καθορίζει την ταχύτητα περιστροφής
Για να δημιουργηθεί τεχνητή βαρύτητα αντίστοιχη με εκείνη της Γης, το σύστημα πρέπει να περιστρέφεται με συγκεκριμένη ταχύτητα, η οποία εξαρτάται από την απόσταση των καψουλών από το κέντρο περιστροφής.
Ενδεικτικά, εάν η απόσταση μεταξύ των δύο καψουλών είναι 20 μέτρα, απαιτούνται σχεδόν 10 περιστροφές ανά λεπτό. Για απόσταση 200 μέτρων, ο ρυθμός μειώνεται περίπου στις τρεις περιστροφές ανά λεπτό, ενώ για απόσταση 2.000 μέτρων περιορίζεται σε λιγότερη από μία περιστροφή ανά λεπτό.
Όσο μεγαλύτερη είναι η απόσταση, τόσο χαμηλότερος μπορεί να είναι ο ρυθμός περιστροφής για την επίτευξη της ίδιας επιτάχυνσης. Ωστόσο, αυξάνεται η γωνιακή ορμή του συστήματος, γεγονός που δημιουργεί πρόσθετες απαιτήσεις για τη διατήρηση της σταθερότητάς του.
Η ταχύτητα περιστροφής αποτελεί επίσης σημαντικό παράγοντα για την άνεση και την ασφάλεια των αστροναυτών.
Σε ένα μικρό σύστημα, η διαφορά επιτάχυνσης μεταξύ του κεφαλιού και των ποδιών μπορεί να είναι αρκετά μεγάλη ώστε να προκαλεί έντονο αποπροσανατολισμό. Για παράδειγμα, σε απόσταση 20 μέτρων, η διαφορά μπορεί να φτάσει περίπου τα 1,7 m/s², ενώ σε απόσταση 200 μέτρων περιορίζεται περίπου στα 0,17 m/s².
Σε μεγαλύτερες αποστάσεις, όπως τα 2.000 μέτρα, η διαφορά μειώνεται περίπου στα 0,02 m/s², περιορίζοντας τις ενοχλήσεις. Αυτό συμβαίνει επειδή το κεφάλι και τα πόδια βρίσκονται σε διαφορετικές αποστάσεις από το κέντρο περιστροφής και, συνεπώς, υφίστανται ελαφρώς διαφορετικές επιταχύνσεις.
Ο κίνδυνος του αποπροσανατολισμού
Η ταχεία περιστροφή μπορεί να επηρεάσει σημαντικά το αιθουσαίο σύστημα του ανθρώπου, το οποίο βρίσκεται στο εσωτερικό του αυτιού και συμβάλλει στην αντίληψη της κίνησης και του προσανατολισμού.
Το σύστημα αυτό βασίζεται, μεταξύ άλλων, στην κίνηση υγρού μέσα σε μικροσκοπικούς σωλήνες και κοιλότητες. Όταν το σώμα περιστρέφεται γρήγορα, τα σήματα που μεταδίδονται από το εσωτερικό αυτί μπορεί να μη συμφωνούν με τις οπτικές πληροφορίες που λαμβάνει ο εγκέφαλος.
Η αναντιστοιχία αυτή μπορεί να προκαλέσει ναυτία, ίλιγγο και την αίσθηση ότι το σώμα κινείται ή περιστρέφεται ανεξέλεγκτα.
Οι επιπτώσεις μπορεί να γίνουν ιδιαίτερα έντονες όταν οι αστροναύτες κινούν το κεφάλι ή τα άκρα τους. Σε ένα σύστημα που περιστρέφεται με υψηλό ρυθμό, ακόμη και συνηθισμένες κινήσεις ενδέχεται να προκαλέσουν δυσφορία, εξαιτίας του φαινομένου Coriolis.
Για να περιοριστούν αυτά τα προβλήματα, απαιτείται μια αρκετά μεγάλη κατασκευή. Μήκος περίπου 1,6 χιλιομέτρων θεωρείται ένα πιθανό κατώτατο όριο για πιο ανεκτές συνθήκες, ενώ μια διάμετρος περίπου πέντε χιλιομέτρων θα μπορούσε να προσφέρει ακόμη μεγαλύτερη άνεση.
Ακόμη και τότε, όμως, η συμπεριφορά του ανθρώπινου οργανισμού σε ένα τέτοιο περιβάλλον θα έπρεπε να αξιολογηθεί προσεκτικά.
Το διάγραμμα απεικονίζει την ανατομία του έσω ωτός, με ιδιαίτερη έμφαση στον υμενώδη λαβύρινθο: μια δομή που ελέγχει διάφορες λειτουργίες και αποτελείται από πόρους και σάκους που περιέχουν ενδολέμφο, ένα υγρό με θετικά φορτισμένα ιόντα καλίου. Ο υμενώδης λαβύρινθος είναι απαραίτητος για τη ρύθμιση της ισορροπίας, καθώς και της αίσθησης της κλίσης και της περιστροφής του σώματός μας - Πηγή: Blausen.com staff, «Ιατρική συλλογή εικόνων Blausen Medical 2014», 2014.
Η πρόκληση της μηχανικής σταθερότητας
Πέρα από τις φυσιολογικές επιπτώσεις, η διατήρηση της περιστροφικής ισορροπίας αποτελεί ένα από τα σημαντικότερα τεχνικά εμπόδια.
Ακόμη και μικρές αλλαγές στην κατανομή της μάζας των καψουλών μπορούν να επηρεάσουν τη ροπή αδράνειας και τη γωνιακή ορμή του συστήματος.
Η μετακίνηση ενός αστροναύτη, ένα άλμα ή η αναδιάταξη του εξοπλισμού στο εσωτερικό μιας κάψουλας θα μπορούσαν να προκαλέσουν ταλαντώσεις και αποκλίσεις από την επιθυμητή περιστροφική κίνηση.
Για να διατηρηθεί η σταθερότητα, θα απαιτούνταν συνεχής παρακολούθηση και διορθώσεις της κίνησης. Όσο μεγαλύτερη είναι η απόσταση μεταξύ των καψουλών, τόσο πιο σύνθετη μπορεί να γίνει η διαχείριση αυτών των διαταραχών.
Η κατάσταση θυμίζει έναν τροχό που δεν είναι σωστά ζυγοσταθμισμένος: μικρές ανισορροπίες μπορούν να προκαλέσουν κραδασμούς, οι οποίοι, αν δεν διορθωθούν, ενδέχεται να εξελιχθούν σε σοβαρότερο πρόβλημα.
Σε ένα διαστημικό σύστημα, οι συνέπειες θα μπορούσαν να είναι ιδιαίτερα κρίσιμες, καθώς θα επηρέαζαν τόσο την περιστροφή όσο και την ασφάλεια του πληρώματος.
Για τον λόγο αυτό, οι σχεδιασμοί που προβλέπουν μεγάλους περιστρεφόμενους τροχούς, κυλίνδρους ή δακτυλιοειδείς κατασκευές θεωρούνται συχνά καταλληλότεροι. Η πιο ομοιόμορφη κατανομή της μάζας τους μειώνει την ευαισθησία σε μικρές μεταβολές και διευκολύνει τη διατήρηση της σταθερότητας.
Αυτή η φωτογραφία απεικονίζει τον κοσμοναύτη Βαλέρι Πολιάκοφ στις 6 Φεβρουαρίου 1995, δεκατρείς μήνες μετά την έναρξη της παραμονής του στο διάστημα, η οποία έμελλε να καταρρίψει κάθε προηγούμενο ρεκόρ, στον διαστημικό σταθμό Μιρ. Η φωτογραφία τραβήχτηκε από το διαστημικό λεωφορείο Discovery της NASA (αποστολή STS-63), κατά τη διάρκεια προσέγγισής του στον κεντρικό σταθμό της Μιρ - Πηγή φωτογραφίας: NASA
Είναι εφικτή η τεχνητή βαρύτητα με καλώδιο;
Από επιστημονική άποψη, η δημιουργία τεχνητής βαρύτητας μέσω δύο συνδεδεμένων καψουλών είναι εφικτή.
Θεωρητικά, οι κάψουλες θα μπορούσαν να συνδεθούν με ένα ισχυρό καλώδιο Kevlar ή άλλο κατάλληλο υλικό, να τεθούν σε περιστροφή με τη βοήθεια προωθητήρων και να δημιουργήσουν επιτάχυνση αντίστοιχη με τη βαρύτητα της Γης.
Η απλότητα της βασικής ιδέας αποτελεί πλεονέκτημα, καθώς δεν απαιτεί την κατασκευή μιας τεράστιας άκαμπτης δομής. Ωστόσο, η ανάγκη για μεγάλες αποστάσεις, ο περιορισμός της δυσφορίας που προκαλεί η περιστροφή και η διαρκής διατήρηση της μηχανικής ισορροπίας δημιουργούν σημαντικές προκλήσεις.
Το βασικό δίλημμα είναι ότι μια μικρή κατασκευή περιστρέφεται υπερβολικά γρήγορα για να προσφέρει άνετες συνθήκες, ενώ μια πολύ μεγάλη κατασκευή είναι δυσκολότερο να ελεγχθεί και να διατηρηθεί σταθερή.
Επομένως, παρότι η περιστροφική τεχνητή βαρύτητα αποτελεί μια ενδιαφέρουσα πιθανή λύση για τις μακροχρόνιες διαστημικές αποστολές, η πρακτική εφαρμογή της εξακολουθεί να απαιτεί σημαντική τεχνολογική και μηχανική πρόοδο.
www.worldenergynews.gr
