Sztuczna grawitacja będzie kluczowa w podboju kosmosu. Przyjrzałem się sprawie i to znacznie więcej niż tylko wymysł z gier i filmów

Przebywanie w kosmosie pomaga ludziom uświadomić sobie, jak wiele jest procesów niezbędnych do życia, a zarazem na co dzień nieuchwytnych. Na przykład oddychanie jest procesem automatycznym, z którego przez większość czasu nie zdajemy sobie sprawy. Podobnie jest z grawitacją. Jak mówi prawo powszechnego ciążenia, zamieszkiwanie na powierzchni Ziemi wiąże się z ciągłym odczuwaniem przyspieszenia ziemskiego o wartości 9,806 metrów na sekundę do kwadratu.

Powiązane:Samolot, który poleci w kosmos; testy Mk-II Aurora sukcesem

Jesteśmy objęci jego działaniem przez całe życie i tak do tego przyzwyczajeni, że nawet nie myślimy, że mogłoby być inaczej. Fakt, że kanapka zawsze spadnie na podłogę jest czymś zupełnie naturalnym. Co prawda zwykle robi to posmarowaną stroną, co jest już mniej zrozumiałe, ale może pozostawmy ten temat na inny artykuł.

Sztuczna grawitacja to konieczność, jeśli chcemy dłużej przebywać w kosmosie. Źródło: JCK5D/Pixabay.

Tak jak w zasadzie całe życie na Ziemi, jesteśmy naturalnie przystosowani do odczuwania grawitacji. Marzymy jednak o dalekich podróżach kosmicznych. Być może w dalekiej przyszłości będą one trwały kilka chwil, maksymalnie tygodni. Niestety biorąc pod uwagę możliwości obecnych źródeł napędu, podróż chociażby na Marsa potrwa wiele miesięcy. Wyprawa do najbliższych układów planet może trwać nawet całe pokolenia. Być może część ludzi podczas takich wypraw spędzi większość, lub nawet całe swoje życie na statku kosmicznym.

Wobec tego należy im zapewnić warunki zamieszkania podobne do tych, jakie istnieją na Ziemi. Powietrze nie jest problemem, czego dowiodła chociażby ISS (Międzynarodowa Stacja Kosmiczna). Ale sztuczna grawitacja jednak ciągle stanowi obiekt teorii naukowców.

Jest jasne, że statek kosmiczny dalekiego zasięgu będzie musiał być wyposażony w jakiś system wytwarzania grawitacji. Naukowcy po kilkumiesięcznym pobycie na ISS doświadczają już atrofii mięśni, intensywne ćwiczenia są w stanie jedynie to spowolnić. Kilka lat nieważkości może spowodować poważne zmiany w organizmie, upośledzające jego funkcjonowanie.

Sztuczna grawitacja w kinematografii

Jak ważne jest doświadczanie ciążenia, można zobaczyć chociażby na filmach. Począwszy od znanej serii Star Trek, przez Gwiezdne wojny, po Obcy: Ósmy pasażer Nostromo. Jak łatwo zauważyć, bohaterowie tych filmów odbywają podróże kosmiczne, chodząc po korytarzach statków tak samo jak na Ziemi. Nawet w dość realistycznym filmie 2001: Odyseja kosmiczna także jest obecna sztuczna grawitacja. Choć nie na całej powierzchni statku, ponieważ ten aspekt ujęto tam nieco wiarygodniej.

W wielu produkcjach science-fiction we wnętrzach kosmicznych stacji panuje ciążenie, choć nie jest wytłumaczone, w jaki sposób ten efekt jest osiągany. Ludzie po prostu zwyczajnie chodzą w pozycji wyprostowanej, tak jak na Ziemi. We wspomnianym filmie Stanleya Kubricka bohaterowie mogą przemieszczać się na nogach w jednej z części statku, tej która wprawiona jest w ruch wirowy. Tak, jak zostało to ukazane w tym filmie, wydaje się pokrywać z teoriami dotyczącymi uzyskiwania efektu ciążenia w kosmosie.

Pasażerowie statków kosmicznych w filmach raczej w nich nie lewitują. Źródło: Brian McGowan, Unsplash

Z kolei serial The Expanse wynosi filmowy kosmos na zupełnie nowy poziom realizmu. Sztuczna grawitacja jest obecna na statkach dzięki przyspieszeniu liniowemu, jakie osiągają rozpędzając się. Niezależnie od stopnia wierności prawom fizyki w produkcji filmowej, ze wszystkich płynie jasny przekaz – sztuczna grawitacja to konieczność. Nie poradzimy sobie bez tego w dalekich podróżach kosmicznych.

Sztuczna grawitacja w grach

Gry nie są wyjątkiem i także tutaj bohaterowie z reguły przemieszczają się po stacjach kosmicznych w ten sam sposób, jak na Ziemi. W niektórych pozycjach za wytwarzanie grawitacji odpowiada jakieś bliżej nieokreślone urządzenie (często wymyślone), które czasem możemy wyłączyć, jak na przykład w Dead Space 2. Tam protagonista Isaac Clarke trafia na poziomy, które symulują warunki mikrograwitacji, zwykle po poważnej awarii zasilania. Poza nimi przemieszcza się zwyczajnie chodząc po podłodze.

W Mass Effect: Andromeda sztuczna grawitacja na statku kosmicznym po prostu jest.

Są takie gry, które prezentują bardziej naukowo poprawne spojrzenie na wytwarzanie grawitacji. Podczas dokowania na stacji orbitalnej w Elite: Dangerous możemy zauważyć, że ma ona konstrukcję cylindryczną lub pierścieniową, w której wszystko jest dociskane siłą odśrodkową do zewnętrznej krawędzi (dokładniej opisuję to zjawisko w kolejnej części tekstu). Podobnie jest to rozwiązane w grach z serii Halo.

W Elite: Dangerous stacje orbitalne są zbudowane w naukowo racjonalny sposób.

Pierścieniowe instalacje, na których powierzchni toczy się akcja wydają się wytwarzać powszechne ciążenie w ten sam sposób. Nie sądzę, aby miały wystarczającą masę, aby przyciąganie mogło być skutkiem działania wytworzonej studni grawitacyjnej (ogólna teoria względności Alberta Einsteina). W tytułach stawiających na symulację, zasady modelu fizycznego są w miarę dobrze wyjaśnione. Natomiast w grach akcji, które dzieją się w kosmosie, na ogół doświadczamy sztucznego ciążenia w sposób oczywisty, choć z grubsza niewytłumaczalny.

Obrotowy sposób na grawitację

Jednym z pierwszych pomysłów na grawitację było wyposażenie statku kosmicznego w wirówkę, lub wprawienie całego obiektu w ruch obrotowy. W 1883 roku Konstantyn Ciołkowski zawarł w jednej ze swoich publikacji opis obracającej się konstrukcji zawieszonej w kosmosie. Podobne idee NASA rozważała od lat 60-tych XX wieku, jeszcze przed wysłaniem człowieka na Księżyc. Jednak misje lunarne nie były na tyle długie, aby było to konieczne. Toteż jak dotąd sposób ten nie wszedł w fazę praktycznego zastosowania.

Pomysł polega na wykorzystaniu siły odśrodkowej, jaka oddziałuje na ciało poruszające się po okręgu. Zjawisko to, dzięki któremu wyjmujemy osuszone pranie z pralki po wirowaniu, może być kluczem do dalekich podróży kosmicznych. Gdyby zbudować pokłady stacji kosmicznej lub statku w formie pierścieni skierowanych „podłogą” na zewnątrz, po wprawieniu tej konstrukcji w ruch obrotowy, pasażerowie powinni odczuwać siłę ciążenia. Może być podobna do ziemskiej, choć bardziej prawdopodobne są wartości stanowiące tylko ułamek tej siły. Zaproponowany przez NASA w 2011 roku moduł ISS Centrifuge Demo miał zapewniać 0,51% siły ziemskiej grawitacji.

Stacje orbitalne mogłyby generować ciążenie dzięki sile odśrodkowej. Źródło: Timothy Alatorre, Wikimedia, CC 4.0

Przynajmniej w teorii jest do dość dobry pomysł. W kosmosie nie ma oporu atmosfery, więc raz wprawiony w obrót moduł statku mógłby kontynuować swój ruch przez długi czas. Niestety istnieją słabe strony, które zostały odkryte m.in. podczas orbitalnych doświadczeń z wirówkami na myszach.

Po pierwsze wymusza to określoną konstrukcję stacji i jej pomieszczeń. Praktycznie nigdzie podłoga nie może być prosta, zamiast tego jest zakrzywiona. Siła ciążenia słabnie wraz ze zbliżaniem się do osi obrotu, więc jeśli pierścienie miałyby wiele poziomów, będą one różnić się wartością sztucznej grawitacji.

Niezbyt przyjemne odczucia mogą towarzyszyć poruszaniu się po pokładach. Człowiek idący energicznie w kierunku zgodnym z obrotem pierścieni będzie poruszał się szybciej od stacji, przez co chwilowo odczuje większą siłę ciążenia. Z kolei zatrzymanie się i ruszenie w przeciwnym kierunku poskutkuje odczuwaniem zmniejszonej grawitacji. Nagłe zwroty i aktywności fizyczne mogą spowodować zakłócenia pracy błędnika, a nawet nudności. Podróż takim statkiem kosmicznym można by porównać do pływania po morzu podczas sztormu.

Toroidalne stacje kosmiczne nie tylko mogą, ale powinny być wielkie. Źródło: NASA, Donald Davis

Wiele zależy od skali przedsięwzięcia. Jeśli promień takiego pierścienia mieszkalnego wyniesie 225 metrów, do osiągnięcia ciążenia zbliżonego do ziemskiego wystarczy jeden jego obrót na minutę. To już jest prędkość na tyle niska, że negatywne wrażenia nie powinny być odczuwalne. Skonstruowanie statku kosmicznego o szerokości niemal pół kilometra wydaje się niestety dość mało realnym przedsięwzięciem. Przynajmniej biorąc pod uwagę obecny rozwój techniki, w przyszłości ma szansę się to zmienić.

Nieprzyjemne odczucia i niepożądane nudności to jednak nie jedyne problemy. Konstrukcja powinna pozostawać stale w stanie równowagi, aby oś obrotu nie migrowała. Jak to osiągnąć, gdy po pokładach przemieszczają się ludzie i ładunki? Wystarczy, aby wszyscy astronauci zebrali się w jednym miejscu, a stacja zacznie zachowywać się, jak krzywe koło w rowerze. Na myśl przychodzą dwie drogi – albo ścisłe restrykcje w poruszaniu się po stacji, albo rozwiązanie technologiczne, na przykład system przeciwwag, dynamicznie reagujący na przeciążenia.

Przyspieszenie liniowe

To, co napisałem powyżej, może nadawać się bardziej dla orbitalnej stacji, niż statku kosmicznego. Choć dla filmografii nie ma przeszkód i widujemy niejednokrotnie obracające się konstukcje (np. Pasażerowie z 2016 roku). Zastosowanie obracającego się modułu statku może rodzić dodatkowe problemy przy wykonywaniu manewrów. Efekt żyroskopu może je znacznie utrudniać, poddając kadłub silnym naprężeniom.

Jednak w tym przypadku mamy do wykorzystania inny sposób na uzyskanie sztucznej grawitacji – przyspieszenie liniowe. W pustce międzyplanetarnej nie ma atmosfery, więc statek kosmiczny korzystający z silników może przyspieszać przez cały czas ich aktywności. Wyobraźmy sobie teraz statek zbudowany jak wieżowiec – dysze napędu znajdują się na jego spodzie i są skierowane w dół. Odpowiednio dobrana moc silników sprawi, że uzyskamy przyspieszenie równe ziemskiemu (1G).

Statek kosmiczny może uzyskiwać sztuczną grawitację dzięki przyspieszeniu. Źródło: Jackdrafahl/Pixabay.

Statek kosmiczny zbudowany w ten sposób przez pierwszą część podróży cały czas będzie się rozpędzał. Następnie, gdzieś w połowie dystansu, po obróceniu o 180 stopni odpali silniki w kierunku przeciwnym. Kolejna część lotu upłynie na wytracaniu prędkości. W ten sposób praktycznie przez cały kurs pasażerowie mogą odczuwać sztuczną grawitację wywołaną pracą silników. Konieczne będzie opracowanie odpowiednio wydajnych napędów, takich które będą w stanie pracować stabilnie przez cały okres podróży.

To rozwiązanie ma wiele zalet. Ponieważ nie mamy tu do czynienia z ruchem obrotowym, siłami Coriolisa itp., teoretycznie nie powinno być problemu z nudnościami i zawrotami głowy. W serialu The Expanse możemy zaobserwować, jak ten system działa w praktyce, zostało to dość dobrze zobrazowane. Osiągnięcie przyspieszenia na poziomie ziemskiego może oznaczać duże prędkości przelotu. Dla przykładu lot na Marsa statkiem, którego silniki zapewniają przyspieszenie 1G trwałby zaledwie kilka dni.

Dzięki statkom o przyspieszeniu wynoszącym 1G, Marsa z blisko oglądalibyśmy po stosunkowo niedługiej podróży. Źródło: NASA

Moglibyśmy w ten sposób wygodnie podróżować po Układzie Słonecznym, ale wybierając się dalej, napotkamy na poważny problem. Statek kosmiczny lecący rok z przyspieszeniem 1G osiągnie niemal prędkość światła. W tym czasie pokona on odległość 0,5 roku świetlnego. Do najbliższego nam układu planetarnego Alpha Centauri mamy 4,2 lś. Jak wiemy z fizyki, nic nie może się poruszać szybciej niż światło. Czyli wliczając wyhamowywanie, statek przez ok. 3 lata poruszałby się ze stałą prędkością, a więc pozbawiony sztucznej grawitacji.

Przez ten okres pasażerowie przebywali by w warunkach stanu nieważkości, co na pewno wpłynęło by na ich organizmy. Nagłe pojawienie się grawitacji w ostatniej fazie lotu nie wróży nic dobrego dla ich szkieletów. Teoretycznie rozwiązanie jest dość łatwe – mniejsze wartości sztucznej grawitacji, np. do 0,5 G. To mniejsze przyspieszenia i dłuższy czas osiągnięcia granicy możliwości – prędkości światła, ale zarazem wolniejsza i bardziej czasochłonna podróż.

Na razie i tak nie posiadamy wystarczająco wydajnej technologii napędu. Przyspieszenie 1G jest możliwe do uzyskania tylko dzięki chemicznym silnikom rakietowym. One dość szybko jednak zużywają swoje paliwo. Silniki jonowe są z kolei bardzo wydajne i mogą pracować długo. Wytwarzają jednak bardzo mały ciąg, sztuczna grawitacja uzyskana dzięki nim byłaby ledwie wyczuwalna. Potrzebny jest w tym przypadku spory postęp technologiczny. A jeśli taki już stanie się faktem, całkiem możliwe, że prędkość światła nie będzie już dla nas barierą.

Inne sposoby na sztuczną grawitację

Te dwa sposoby uzyskania sztucznej grawitacji bazują na prawach fizyki. Czy znane są jakkolwiek inne pomysły, choćby hipotetyczne? Teoretycznie najlepiej, gdyby to było możliwe do wykonania, tak jak ma to miejsce w filmach, czyli niezależnie od obrotu czy poruszania się. Przykładowe urządzenie np. umieszczone pod podłogą, wytwarzałoby siłę ciążenia, pochłaniając pewną ilość energii.

Wbrew pozorom to nie musi być fikcja. W 2015 roku ostatecznie potwierdzono istnienie fal grawitacyjnych, co rzuciło nieco inne światło na to zjawisko. Odkrycie z 14 września wpisuje się w ogólną teorię względności Einsteina. Zakłada ona, że pewne zjawiska (w tym przypadku prawo ciążenia) nie mogą być opisane stałymi wartościami lub wzorami, a zależą one od przyjętego układu odniesienia. Grawitacja nie jest siłą bezwzględną, wykazuje pewne zachowania falowe, a nawet wchodzi w interakcję ze sobą.

Idąc dalej, możemy dotrzeć do kwantowych teorii grawitacji. Niektóre z nich zakładają istnienie grawitonu, czyli kwantu grawitacji, cząstki cechującej masę obiektów umieszczonych w polu ciążenia (w zasięgu ich emisji?). Grawiton ma być jednym z bozonów, nie mieć masy ani ładunku elektrycznego. Choć wkraczamy na obszar prawdopodobnych teorii i rozważań, kwantowe podejście do siły ciążenia może pozwolić na szukanie sposobów manipulacji nią.

Gdyby faktycznie udało się udowodnić istnienie grawitonów, być może bylibyśmy w stanie wytworzyć urządzenia lub sposoby ekranowania siły grawitacji. To z kolei otworzy drogę do opracowania napędów antygrawitacyjnych, czyli czegoś, co na razie jest zarezerwowane dla filmów science-fiction.

Odkrycie antygrawitacji wpłynie nie tylko na podróże kosmiczne. Źródło: KELLEPICS/Pixabay.

Jewgienij Podkletnow to uczony rosyjskiego pochodzenia, który po opuszczeniu kraju kontynuował prace badawcze w fińskim instytucie w Tampere. To właśnie tam jego zdaniem udało się odkryć sposób na osłabienie oddziaływania ziemskiego przyciągania. Skonstruował on maszynę, której głównym elementem był wirujący, nadprzewodzący dysk. Jewgienij Podkletnow opublikował swoje prace, według których możliwe było osłabienie oddziaływania siły grawitacji o 2% ponad uruchomionym dyskiem. Wywołały one silne kontrowersje w środowiskach naukowych.

Niektóre firmy, jak Boeing czy BAE Systems, podjęły próby powtórzenia eksperymentów Podkletnowa, ale jak dotąd nikomu nie udało się potwierdzić tych wyników. Gdyby jednak możliwe było manipulowanie siłą grawitacji, prawdopodobnie udałoby się ją także wytwarzać. Statek kosmiczny posiadałby wewnątrz urządzenie, które generuje siłę ciężkości. Eleganckie rozwiązanie, pozbawione wad obrotowych pierścieni i ciągłego przyspieszania, które jednak istnieje tylko w sferze domysłów. Myślę, że najbliższa przyszłość to przede wszystkim rozwiązania bazujące na klasycznej fizyce.

Czytaj więcej:6 minut dookoła Ziemi - kosmiczna sonda Parker pobiła rekord prędkości

Arkadiusz Strzała

Arkadiusz Strzała

Swoją przygodę z pisaniem zaczynał od własnego bloga i jednego z wczesnych forum (stworzonego jeszcze w technologii WAP). Z wykształcenia jest elektrotechnikiem, posiada zamiłowanie do technologii, konstruowania różnych rzeczy i rzecz jasna – grania w gry komputerowe. Obecnie na GOL-u jest newsmanem i autorem publicystyki, a współpracę z serwisem rozpoczął w kwietniu 2020 roku. Specjalizuje się w tekstach o energetyce i kosmosie. Nie stroni jednak od tematów luźniejszych lub z innych dziedzin. Uwielbia oglądać filmy science fiction i motoryzacyjne vlogi na YouTube. Gry uruchamia głównie na komputerze PC, aczkolwiek posiada krótki staż konsolowy. Preferuje strategie czasu rzeczywistego, FPS-y i wszelkie symulatory.