Gravedad artificial

Gravedad artificial es la creación de una fuerza de inercia que imita los efectos de una fuerza gravitacional, generalmente por rotación. La gravedad artificial, o gravedad rotacional, es, por tanto, la aparición de una fuerza centrífuga en un marco de referencia giratorio (la transmisión de la aceleración centrípeta a través de la fuerza normal en un marco de referencia no giratorio), a diferencia de la fuerza experimentada en la aceleración lineal, que según el principio de equivalencia es indistinguible de la gravedad. En un sentido más general, la "gravedad artificial" También puede referirse al efecto de la aceleración lineal, p. mediante un motor cohete.

La gravedad rotacional simulada se ha utilizado en simulaciones para ayudar a los astronautas a entrenar para condiciones extremas. La gravedad rotacional simulada se ha propuesto como una solución en los vuelos espaciales tripulados a los efectos adversos para la salud causados por la ingravidez prolongada. Sin embargo, actualmente no existen aplicaciones prácticas de gravedad artificial en el espacio ultraterrestre para humanos debido a las preocupaciones sobre el tamaño y el costo de una nave espacial necesaria para producir una fuerza centrípeta útil comparable a la intensidad del campo gravitacional en la Tierra (g). Los científicos están preocupados por el efecto que un sistema de este tipo podría tener en el oído interno de sus ocupantes. La preocupación es que el uso de la fuerza centrípeta para crear gravedad artificial cause alteraciones en el oído interno que provoquen náuseas y desorientación. Los efectos adversos pueden resultar intolerables para los ocupantes.

Fuerza centrípeta

En el contexto de una estación espacial en rotación, es la fuerza radial proporcionada por el casco de la nave espacial la que actúa como fuerza centrípeta. Así, la "gravedad" La fuerza que siente un objeto es la fuerza centrífuga que se percibe en el marco de referencia giratorio como apuntando "hacia abajo"; hacia el casco.

Según la tercera ley de Newton, el valor de la pequeña g (la aceleración "hacia abajo" percibida) es igual en magnitud y de dirección opuesta a la aceleración centrípeta.

Diferencias con la gravedad normal

Desde la perspectiva de las personas que rotan con el hábitat, la gravedad artificial por rotación se comporta de manera similar a la gravedad normal pero con las siguientes diferencias, que pueden mitigarse aumentando el radio de una estación espacial.

• La fuerza centrífuga varía con la distancia: A diferencia de la gravedad real, la aparente fuerza centrífuga que sienten los observadores en el hábitat empuja radialmente hacia fuera del eje, y la fuerza centrífuga es directamente proporcional a la distancia del eje del hábitat. Con un pequeño radio de rotación, la cabeza de una persona de pie se sentiría significativamente menos gravedad que sus pies. Asimismo, los pasajeros que se mueven en una estación espacial experimentan cambios en el peso aparente en diferentes partes del cuerpo.
• El efecto Coriolis da una fuerza aparente que actúa sobre objetos que se mueven en relación con un marco de referencia giratorio. Esta fuerza aparente actúa en ángulos rectos al movimiento y el eje de rotación y tiende a curvar el movimiento en el sentido opuesto al giro del hábitat. Si un astronauta dentro de un ambiente de gravedad artificial giratorio se mueve hacia o lejos del eje de rotación, sentirán una fuerza empujando hacia o contra la dirección del giro. Estas fuerzas actúan en los canales semicirculares del oído interno y pueden causar mareos. El alargamiento del período de rotación (tasa inferior) reduce la fuerza Coriolis y sus efectos. Se cree generalmente que a las 2 rpm o menos, no se producirán efectos adversos de las fuerzas Coriolis, aunque se ha demostrado que los humanos se adaptan a las tasas tan altas como 23 rpm.
• Los cambios en el eje de rotación o la velocidad de un giro causarían una perturbación en el campo de gravedad artificial y estimularían los canales semicirculares (véase arriba). Cualquier movimiento de masa dentro de la estación, incluyendo un movimiento de personas, cambiaría el eje y podría potencialmente causar una peligrosa oscilación. Por lo tanto, la rotación de una estación espacial tendría que estabilizarse adecuadamente, y cualquier operación para cambiar deliberadamente la rotación tendría que hacerse lo suficientemente lentamente como para ser imperceptible. Una posible solución evitaría que la estación de wobbling utilizaría su suministro de agua líquida como balasto que podría bombearse entre diferentes secciones de la estación según sea necesario.

Vuelo espacial humano

La misión Gemini 11 intentó producir gravedad artificial girando la cápsula alrededor del vehículo objetivo Agena al que estaba unida mediante una correa de 36 metros. Pudieron generar una pequeña cantidad de gravedad artificial, aproximadamente 0,00015 g, disparando sus propulsores laterales para hacer girar lentamente la nave combinada como un par de bolas en cámara lenta. La fuerza resultante era demasiado pequeña para que ninguno de los astronautas la sintiera, pero se observaron objetos moviéndose hacia el "suelo" de la cápsula.

Beneficios para la salud

Se ha sugerido la gravedad artificial como una solución a diversos riesgos para la salud asociados con los vuelos espaciales. En 1964, el programa espacial soviético creía que un ser humano no podría sobrevivir más de 14 días en el espacio por temor a que el corazón y los vasos sanguíneos no pudieran adaptarse a las condiciones de ingravidez. Finalmente se descubrió que este temor era infundado, ya que los vuelos espaciales han durado hasta 437 días consecutivos, y las misiones a bordo de la Estación Espacial Internacional suelen durar seis meses. Sin embargo, la cuestión de la seguridad humana en el espacio impulsó una investigación sobre los efectos físicos de la exposición prolongada a la ingravidez. En junio de 1991, un vuelo de Spacelab Life Sciences 1 realizó 18 experimentos con dos hombres y dos mujeres durante nueve días. En un ambiente sin gravedad, se concluyó que la respuesta de los glóbulos blancos y la masa muscular disminuía. Además, dentro de las primeras 24 horas que pasaron en un ambiente ingrávido, el volumen sanguíneo disminuyó en un 10%. Los períodos prolongados de ingravidez pueden causar inflamación del cerebro y problemas de visión. Al regresar a la Tierra, los efectos de la ingravidez prolongada continúan afectando al cuerpo humano a medida que los líquidos regresan a la parte inferior del cuerpo, el ritmo cardíaco aumenta, se produce una caída en la presión arterial y hay una tolerancia reducida al ejercicio.

La gravedad artificial, por su capacidad de imitar el comportamiento de la gravedad en el cuerpo humano, se ha sugerido como una de las formas más amplias de combatir los efectos físicos inherentes a los entornos sin peso. Otras medidas que se han sugerido como tratamientos sintomáticos incluyen ejercicio, dieta y trajes Pingvin. Sin embargo, la crítica a esos métodos radica en el hecho de que no eliminan por completo los problemas de salud y requieren una variedad de soluciones para abordar todos los problemas. La gravedad artificial, por el contrario, eliminaría la ingravidez inherente a los viajes espaciales. Al implementar la gravedad artificial, los viajeros espaciales nunca tendrían que experimentar ingravidez ni los efectos secundarios asociados. Especialmente en un viaje moderno de seis meses a Marte, se sugiere la exposición a la gravedad artificial de forma continua o intermitente para evitar un debilitamiento extremo de los astronautas durante el viaje.

Propuestas

Varias propuestas han incorporado la gravedad artificial en su diseño:

• Discovery II: una propuesta de vehículo 2005 capaz de transportar una tripulación de 172 toneladas a la órbita de Júpiter en 118 días. Una porción muy pequeña de la nave 1,690-métrica-ton incorporaría una estación de tripulación centrífuga.
• Vehículo de exploración espacial de múltiples misiones (MMSEV): propuesta de la NASA de 2011 para un vehículo de transporte espacial tripulado de larga duración; incluyó un hábitat espacial de gravedad artificial rotacional destinado a promover la salud de la tripulación para una tripulación de hasta seis personas en misiones de hasta dos años de duración. El centrifugador de anillo de torus utilizaría estructuras estándar de metal y naves espaciales inflables y proporcionaría 0.11 a 0.69 g si se construye con la opción de diámetro de 40 pies (12 m).
• ISS Centrifuge Demo: una propuesta de 2011 de la NASA para un proyecto de demostración preparatorio para el diseño final del hábitat espacial de centrifugado mayor de torus para el vehículo de exploración espacial de múltiples misiones. La estructura tendría un diámetro exterior de 30 pies (9,1 m) con un diámetro interior del anillo de 30 pulgadas (760 mm). Proporcionaría 0,08 a 0,51g gravedad parcial. Esta centrifuga de prueba y evaluación tendría la capacidad de convertirse en un módulo de sueño para la tripulación del ISS.

• Mars Direct: Un plan para una misión tripulada de Marte creada por los ingenieros de la NASA Robert Zubrin y David Baker en 1990, se expandió posteriormente en el libro de Zubrin 1996 El caso de Marte. La "Unidad de Hábitat Marte", que llevaría astronautas a Marte para unirse al "Vehículo de Regreso Terrestre" lanzado anteriormente, habría tenido gravedad artificial generada durante el vuelo atando la etapa superior gastada del impulsor a la Unidad de Hábitat, y fijando ambos girando alrededor de un eje común.
• La misión propuesta Tempo3 gira dos mitades de una nave espacial conectada por un tether para probar la viabilidad de simular gravedad en una misión tripulada a Marte.
• La Biosatélite de la Gravedad Marte fue una misión propuesta destinada a estudiar el efecto de la gravedad artificial en los mamíferos. Un campo de gravedad artificial de 0.38g (equivalente a la gravedad superficial de Marte) fue producido por rotación (32 rpm, radio de ca. 30 cm). Quince ratones habrían orbitado la Tierra (órbita terrestre baja) durante cinco semanas y luego aterrizarían vivos. Sin embargo, el programa fue cancelado el 24 de junio de 2009, debido a la falta de financiación y prioridades cambiantes en la NASA.
• Vast Space es una empresa privada que propone construir la primera estación espacial artificial del mundo utilizando el concepto de naves espaciales rotativas.

Problemas con la implementación

Algunas de las razones por las que la gravedad artificial sigue sin utilizarse hoy en día en los vuelos espaciales se remontan a los problemas inherentes a su implementación. Uno de los métodos realistas para crear gravedad artificial es el efecto centrífugo causado por la fuerza centrípeta del suelo de una estructura giratoria que empuja hacia arriba a la persona. En ese modelo, sin embargo, surgen problemas con el tamaño de la nave espacial. Como lo expresaron John Page y Matthew Francis, cuanto más pequeña es una nave espacial (cuanto más corto es el radio de rotación), más rápida es la rotación que se requiere. Por tanto, para simular la gravedad, sería mejor utilizar una nave espacial más grande que gire lentamente. Los requisitos de tamaño para la rotación se deben a las diferentes fuerzas que actúan sobre partes del cuerpo a diferentes distancias del eje de rotación. Si las partes del cuerpo más cercanas al eje de rotación experimentan una fuerza significativamente diferente de las partes más alejadas del eje, esto podría tener efectos adversos. Además, quedan dudas sobre cuál es la mejor manera de establecer inicialmente el movimiento giratorio sin alterar la estabilidad de toda la órbita de la nave espacial. Por el momento, no existe un barco lo suficientemente grande como para cumplir con los requisitos de rotación, y los costos asociados con la construcción, el mantenimiento y el lanzamiento de dicha nave son elevados.

En general, con los efectos limitados sobre la salud presentes en los vuelos espaciales más cortos, así como el alto costo de la investigación, la aplicación de la gravedad artificial suele ser atrofiada y esporádica.

En ciencia ficción

Varias novelas, películas y series de ciencia ficción han presentado producción de gravedad artificial.

• En la película 2001: A Space Odyssey, una centrifuga rotativa en la Discovery nave espacial proporciona gravedad artificial.
• En la novela The Martian, el Hermes nave espacial logra la gravedad artificial por el diseño; emplea una estructura anillada, en cuya periferia se experimentan fuerzas alrededor del 40% de la gravedad de la Tierra, similar a la gravedad de Marte.
• La película Interstellar cuenta con una nave espacial llamada Resistencia que puede girar en su eje central para crear gravedad artificial, controlada por impulsores retro en el barco.
• La película de 2021 Stowaway cuenta con la etapa superior de un vehículo de lanzamiento conectado por teteras largas de 450 metros al casco principal del barco, actuando como contrapeso para la gravedad artificial inercia.
• In Para toda la humanidad, el hotel espacial Polaris, más tarde renombrado Phoenix después de ser comprado por Helios Aerospace, cuenta con una estructura tipo rueda controlada por los propulsores para crear gravedad artificial, mientras que un centro axial central opera en la gravedad cero como una estación de acoplamiento.

Aceleración lineal

La aceleración lineal es otro método para generar gravedad artificial, utilizando el empuje de los motores de una nave espacial para crear la ilusión de estar bajo una atracción gravitacional. Una nave espacial bajo aceleración constante en línea recta tendría la apariencia de una atracción gravitacional en la dirección opuesta a la de la aceleración, ya que el empuje de los motores haría que la nave espacial "empuje" penetra en los objetos y personas que se encuentran dentro del recipiente, creando así la sensación de peso. Esto se debe a la tercera ley de Newton: el peso que uno sentiría estando en una nave espacial que se acelera linealmente no sería una verdadera atracción gravitacional, sino simplemente la reacción de uno mismo empujando contra el casco de la nave mientras ésta empuja. atrás. De manera similar, los objetos que de otro modo flotarían libremente dentro de la nave espacial si no estuviera acelerada, "caerían" hacia los motores cuando comenzara a acelerar, como consecuencia de la primera ley de Newton: el objeto flotante permanecería en reposo, mientras que la nave espacial aceleraría hacia él, y al observador que estuviera dentro le parecería que el objeto estaba "en reposo". cayendo".

Para emular la gravedad artificial en la Tierra, se pueden construir naves espaciales que utilicen la aceleración lineal de la gravedad de forma similar a un rascacielos, con sus motores como el "piso" inferior. Si la nave espacial acelerara a una velocidad de 1 g (la atracción gravitacional de la Tierra), los individuos en su interior serían presionados contra el casco con la misma fuerza y, por lo tanto, podrían caminar y comportarse. como si estuvieran en la Tierra.

Esta forma de gravedad artificial es deseable porque funcionalmente podría crear la ilusión de un campo de gravedad uniforme y unidireccional en toda la nave espacial, sin la necesidad de grandes anillos giratorios, cuyos campos pueden no ser uniformes ni unidireccionales con respecto a a la nave espacial y requieren una rotación constante. Esto también tendría la ventaja de una velocidad relativamente alta: una nave espacial acelera a 1 g, 9,8 m/s², durante la primera mitad del viaje, y luego desacelera durante la otra mitad podría llegar a Marte en unos días. De manera similar, un viaje espacial hipotético utilizando una aceleración constante de 1 g durante un año alcanzaría velocidades relativistas y permitiría un viaje de ida y vuelta a la estrella más cercana, Próxima Centauri. Como tal, se ha propuesto una aceleración lineal de bajo impulso pero de largo plazo para varias misiones interplanetarias. Por ejemplo, incluso cargas útiles pesadas (100 toneladas) a Marte podrían transportarse a Marte en 27 meses y retener aproximadamente el 55 por ciento de la masa del vehículo LEO al llegar a la órbita de Marte. proporcionando un gradiente de baja gravedad a la nave espacial durante todo el viaje.

Sin embargo, esta forma de gravedad no está exenta de desafíos. En la actualidad, los únicos motores prácticos que podrían propulsar una nave lo suficientemente rápido como para alcanzar velocidades comparables a la atracción gravitacional de la Tierra requieren cohetes de reacción química, que expulsan masa de reacción para lograr el empuje, y por lo tanto la aceleración sólo podría durar tanto tiempo como sea posible. un buque tenía combustible. La embarcación también necesitaría estar acelerando constantemente y a una velocidad constante para mantener el efecto gravitacional y, por lo tanto, no tendría gravedad mientras estuviera estacionaria y podría experimentar oscilaciones significativas en las fuerzas g si la embarcación tuviera que acelerar constantemente y a una velocidad constante para mantener el efecto gravitacional. acelerar por encima o por debajo de 1 g. Además, para viajes de punto a punto, como los tránsitos Tierra-Marte, las naves necesitarían acelerar constantemente durante la mitad del viaje, apagar sus motores, realizar un giro de 180°, reactivar sus motores y luego comenzar a desacelerar hacia el objetivo. destino, lo que requiere que todo dentro de la embarcación experimente ingravidez y posiblemente esté asegurado durante la duración del giro.

Un sistema de propulsión con un impulso específico muy alto (es decir, buena eficiencia en el uso de la masa de reacción que debe transportarse y usarse para la propulsión durante el viaje) podría acelerar más lentamente produciendo niveles útiles de gravedad artificial durante largos períodos. de tiempo. Una variedad de sistemas de propulsión eléctrica proporcionan ejemplos. Dos ejemplos de esta propulsión de larga duración, bajo empuje y alto impulso que se han utilizado prácticamente en naves espaciales o que están previstos para su uso en el espacio a corto plazo son los propulsores de efecto Hall y los cohetes de magnetoplasma de impulso específico variable (VASIMR). Ambos proporcionan un impulso específico muy alto pero un empuje relativamente bajo, en comparación con los cohetes de reacción química más típicos. Por lo tanto, son ideales para disparos de larga duración que proporcionarían cantidades limitadas, pero a largo plazo, de milig niveles de gravedad artificial en las naves espaciales.

En varias tramas de ciencia ficción, la aceleración se utiliza para producir gravedad artificial para naves espaciales interestelares, propulsadas por medios aún teóricos o hipotéticos.

Este efecto de la aceleración lineal se comprende bien y se utiliza habitualmente para la gestión de fluidos criogénicos de 0 g para disparos en el espacio posteriores al lanzamiento (posteriores) de cohetes de etapa superior.

Las montañas rusas, especialmente las montañas rusas lanzadas o aquellas que dependen de propulsión electromagnética, pueden proporcionar aceleración lineal "gravedad", al igual que los vehículos de aceleración relativamente alta, como los autos deportivos. La aceleración lineal se puede utilizar para proporcionar tiempo en el aire en montañas rusas y otras atracciones emocionantes.

Simulando la gravedad lunar

En enero de 2022, el South China Morning Post informó que China había construido una pequeña instalación de investigación (60 centímetros (24 pulgadas) de diámetro) para simular la baja gravedad lunar con la ayuda de imanes. Según se informa, la instalación se inspiró en parte en el trabajo de Andre Geim (quien más tarde compartió el Premio Nobel de Física de 2010 por su investigación sobre el grafeno) y Michael Berry, quienes compartieron el Premio Ig Nobel de Física en 2000 por la levitación magnética de una rana..

Simulando la microgravedad

Vuelo parabólico

Weightless Wonder es el apodo del avión de la NASA que vuela en trayectorias parabólicas. En resumen, proporciona un entorno casi ingrávido para entrenar astronautas, realizar investigaciones y filmar películas. La trayectoria parabólica crea una aceleración lineal vertical que coincide con la de la gravedad, generando gravedad cero durante un breve período de tiempo, generalmente de 20 a 30 segundos, seguido de aproximadamente 1,8 g durante un período similar. El sobrenombre de Cometa Vómito también se utiliza para referirse al mareo que los pasajeros de los aviones suelen experimentar durante estas trayectorias parabólicas. Estos aviones de gravedad reducida son operados hoy en día por varias organizaciones en todo el mundo.

Flotabilidad neutra

El Laboratorio de Flotabilidad Neutra (NBL) es una instalación de entrenamiento de astronautas en las instalaciones de entrenamiento Sonny Carter en el Centro Espacial Johnson de la NASA en Houston, Texas. La NBL es una gran piscina de agua cubierta, la más grande del mundo, en la que los astronautas pueden realizar tareas EVA simuladas en preparación para misiones espaciales. La NBL contiene maquetas de tamaño real de la bahía de carga del transbordador espacial, las cargas útiles de vuelo y la Estación Espacial Internacional (ISS).

El principio de flotabilidad neutra se utiliza para simular el entorno ingrávido del espacio. Los astronautas vestidos con trajes son bajados a la piscina usando una grúa aérea y buzos de apoyo ajustan su peso para que no experimenten fuerza de flotación ni momento de rotación alrededor de su centro de masa. Los trajes usados en la NBL tienen una clasificación inferior a la de los trajes EMU totalmente aptos para vuelo, como los que se utilizan en el transbordador espacial y la Estación Espacial Internacional.

El tanque NBL tiene 202 pies (62 m) de largo, 102 pies (31 m) de ancho y 40 pies y 6 pulgadas (12,34 m) de profundidad, y contiene 6,2 millones de galones (23,5 millones de litros) de agua. Los buzos respiran nitrox mientras trabajan en el tanque.

La flotabilidad neutra en una piscina no es ingravidez, ya que los órganos del equilibrio en el oído interno todavía sienten la dirección de la gravedad de arriba a abajo. Además, el agua presenta una cantidad significativa de resistencia. Generalmente, los efectos de arrastre se minimizan realizando las tareas lentamente en el agua. Otra diferencia entre la simulación de flotabilidad neutra en una piscina y el EVA real durante los vuelos espaciales es que la temperatura de la piscina y las condiciones de iluminación se mantienen constantes.

Mecanismos especulativos o ficticios

En la ciencia ficción, la gravedad artificial (o cancelación de la gravedad) o la "paragravedad" A veces está presente en naves espaciales que no giran ni aceleran. En la actualidad, no existe ninguna técnica confirmada como tal que pueda simular la gravedad distinta de la rotación o aceleración reales. Ha habido muchas afirmaciones a lo largo de los años sobre un dispositivo de este tipo. Eugene Podkletnov, un ingeniero ruso, afirma desde principios de los años 1990 haber fabricado un dispositivo de este tipo consistente en un superconductor giratorio que produce un potente "campo gravitomagnético", pero no ha habido ninguna verificación o incluso resultados negativos por parte de terceros.. En 2006, un grupo de investigación financiado por la ESA afirmó haber creado un dispositivo similar que demostró resultados positivos para la producción de gravitomagnetismo, aunque sólo producía 0,0001 g. Este resultado no se ha replicado.