Asadar, gravitatie… Gravitatia este forta care ne tine legati de Pamant. O simtim tot timpul, si este o constanta a existentei vietii pe planeta. Intreaga evolutie de aproape 4 miliarde de ani a Terrei a fost influentata, intr-un fel sau altul, de aceasta ciudata forta.
Si cuvantul ciudat e un cuvant bun pentru a descrie gravitatia. Nici pana in ziua de astazi, nu o intelegem pe deplin. Stim ca, la scara mare, ne-o putem imagina ca un fel de efect al curburii spatiului tridimentsional, dupa cum ne-a relevat Einstein; dar, la scara mica a fizicii cuantice, definirea gravitatiei ca forta este o problema reala. Intrebari multe se invart in jurul ei, cum ar fi ce particule purtatoare de forta are, si de ce puterea ei este atat de mica comparativ cu celelalte forte fundamentale….
Imi cer scuze, dar astea sunt probleme carora nu le pot raspunde. Sunt teorii multe, si pasionatii le pot studia daca doresc, dar principala invataminte pe care o putem trage momentan este ca nu putem reproduce gravitatia unei planete fara sa folosim masa unei planete. De aceea, eu personal sunt sceptic in privinta termenului de “gravitatie artificiala”. Nu exista asa ceva, pentru ca nu o putem fabrica in vreun fel… dar o putem simula. Si pentru asta, vom vorbi despre “gravitatie simulata”. Inainte de toate, tin sa va avertizez ca unele dintre aceste probleme nu sunt pe deplin studiate, si ca, in lipsa unor programe spatiale cu echipaj uman robuste, ele raman, pentru moment, speculative.
De ce?
Prima intrebare pe care ne-o putem pune este: avem chiar nevoie de gravitatie? Raspunsul, scurt si direct este Da! Desi la inceputurile epocii spatiale, duratele de stat in spatiu rareori treceau de o saptamana, si, ca atare, nu existau date despre misiuni cu durata lunga de sedere in microgravitatie (adica in imponderabilitate aparenta; in realitate, navele aflate pe orbita in jurul Pamantului nu sunt chiar in imponderabilitate, ci doar supuse unui efect gravitational infinitezimal de mic; altminteri, spatiul e curbat si plin de vai si creste, si nu exista loc cu adevarat plat nicaieri in urnivers), astazi noi stim ca astfel de zboruri produc probleme de sanatate grave.
Ce inseamna grave? Pe termen scurt:
- probleme cu sistemul vestibular ducand la greturi. Majoritatea astronautilor petrec timp in avioane care simuleaza gravitatie zero pe durate de ordinul a zeci de secunde… si acele avioane sunt poreclite “Vomit Comet”. Oare de ce?….
- probleme legate de redistribuirea fluidelor in corp, ducand la o stare similara congestiei provocate de raceala, cu pierderea senzatiilor de gust si miros (motiv pentru care multi astronauti prefera mancaruri puternic aromate si picante), precum si potentiale probleme legate de schimbarea formei ochiului prin redistribuirea umorii apoase (adica s-ar putea sa ai nevoie de ochelari…. sau sa scapi de ei daca deja ii foloseai).
- speculativ, potentiale probleme legate de pierderea senzatiilor in extremitati la oameni cu circulatia compromisa (astronautii nu sunt diabetici, dar daca vrei o civilizatie interplanetara, ar fi bine sa ai moduri de a-i include si pe acestia) sau, invers, senzatii de mancarime in extremitati provocate de un aflux de sange (suntem evoluati sa avem presiune mai mare in picioare, unde vasele de sange sunt ceva mai groase si elastice, si mai mica in creier, unde vasele sunt delicate si relativ inflexibile; atentie la AVC-uri, de asemenea; astronauti sunt selectati pentru conditie fizica, oamenii de rand mai putin…)
Iar pe terman mediu:
- Pierderi de masa musculara si usoasa. Ritmul la oase este de ordinul a 1-2% pe luna (comparativ cu 1-2% la varstnici… pe an). Oasele si muschii se dezvolta sau se micsoreaza in functie de sarcinile la care sunt supusi. Fara astea, incep sa dispara. Veti spune ca, desigur, astronautii fac sport in spatiu. Ceea ce e adevarat… fac multe ore de sport.. dar realitatea trista este ca nu exista foarte multe dovezi ca i-ar ajuta prea mult. Acele pierderi de 1-2% sunt inregistrate pe aceeasi astronauti care fac 2-3-4 ore de sport pe zi.
- Calciul ala pe care-l pierzi nu dispare in neant. El ajunge in uree (pietre la rinichi in spatiu nu e o problema pe care sa-ti doresti sa o ai) si in sange (unde ionii de calciu iti satureaza sistemul nervos, provocand potentiale probleme de coordonare si ritm cardiac). si el trebuie purificat din apa daca vrei sa o refolosesti.
- Probleme cardiace si circulare. Aici, treaba este din nou, speculativa, pentru ca astronautii sunt oameni bine antrenati, in conditie fizica excelenta, si care duc vieti destul de active si sanatoase. Chiar si asa, exista dovezi ca rearanjarea fluidelor duce la potentiale probleme cardiace (aritmii spre exemplu) si nu stim exact daca ele nu raman probleme permanente.Plus ca muschiul inimii pierde si el din masa; un astronaut care face sport are ritmul unui om pe Pamant care… sta in pat.
- Slabirea sistemului imunitar (de ce? nu stie nimeni exact… poate findca mediul e prea steril, sau poate lipsa gravitatie deranajeaza procese interne celulare, la fel ca la tulpinile extraordinar de virulente si mortale de salmonela care au fost observate in spatiu)
Pe termen lung… cine stie? Poate scaderea capacitatii pulmonare (efort putin inseamna oxigen putin, si deci, scaderea antrenamentului alveolar), probabil probleme reproductive (fatul are nevoie de graivtatie in diferite perioade de dezvoltare in uter), posibile modificari epigenetice (adica schimbari in lista de trasaturi genetice care se manifesta; nu tot ADN-ul se manifesta, chiar daca tot se transmite; potentiale probleme autoimune). Dar cum cel mai lung zbor a fost de numai 437 de zile, nu stim sigur. (pentru curiosi, acel zbor a fost realizat de Valeri Polyakov, pe Mir, in 1994-95; spre surprinderea multora, inclusiv a subsemnatului, cand a aterizat, a facut cei cativa pasi chinuiti de la capsula la cortul unde era verificat, singur, pe propriile-i picioare, pentru a dovedi ca oamenii ar putea merge pe Marte dupa mai bine de un an de imporabilitate; eu unul nu sunt convins, dar, vazand cum aratau altii, imi inclin palaria). Iar tot ce e mai sus doar zgarie suprafata problemei.
Da… per total e nasol. Astronautii fac regimuri de tratamente cand se intorc pe Pamant, si iau tot felul de suplimente pe orbita. Si tot nu e suficient.
Exista vreo cale de rezolva aceste probleme? Poate. Animalele care hiberneaza perioade lungi de timp nu pierd masa osoasa apreciabila. La fel si cele marine, care-si petrec majoritatea vietii intr-un mediu cu greutate zero. Dar, pana acum, studiile au avansat in ritm de retragere ghetari: lent. De ce? Pentru ca sunt scumpe, fondurile sunt limitate, iar esantioanele de astronauti reduse. Poate ca se vor dezvolta tratamente sau medicamente sau proceduri noi care sa elimine aceste probleme, dar pana atunci, nu ramane decat sa improvizam si sa incercam sa imitam mediul nostru natural.
Scranciobe spatiale
Cea mai simpla cale a de imita efectele gravitatie este prin generarea fortei centrifuge intr-un dispozitiv rotativ. Stiinta lucrurilor care se invart e destul de complicata, implicand sisteme de referinta mobile si stationare si forte fizice sau non-fizice (pseudo-forte, adica efecte de miscare care imita fortele normale dar a caror existenta se datoareaza miscarii de rotatie a sistemului de referinta). Ca atare nu voi intra in detalii pur stiintifice, ci ma voi baza ca majoritatea cititorilor blogului au simtit de multe ori acceleratia centrifuga impingandu-i in portierele unei masini la o curba mai abrupta sau un carusel de carnaval. Aceea este ce cautam: o acceleratie aparenta urmare a unei traiectorii circulare.
Forta centrifuga este tot timpul perpendiculara pe axa de rotatie si opusa centrului de rotatie. Adica tinde sa arunce obiectele in exterior.
Valoarea fortei centrifuge depinde de distanta fata de axa de rotatie, viteza de rotatie si viteza liniara ortogonala (ele fiind marimi interdependete intre ele). Formula acceleratiei este:
\(
a = ω r^2
\)
unde
- \(a\): este acceleratia, exprimata in m/s/s
- \(ω\): este viteza unghiulara de rotatie (masurata in radiani per secunda, pe care ii putem transforma in rotatii per secunda pentur uz comun; in ecuatii ea se masoara doar in radiani per secunda)
- \(r\): este raza pana la punctul in care calculam
Din nou, voi sari peste multe detalii de fizica, si voi posta direct niste valori pentru gravitatie de marimea gravitatiei terestre (1G = 9.81 m/s/s), unde se poate vedea care trebuie sa fie raza pentru fiecare numar de rotatii pe minut:
- 1 rpm: 895.47
- 2 rpm: 223.87
- 3 rpm: 99.5
- 4 rpm: 55.97
- 5 rpm: 35.82
- 6 rpm: 24.87
- 7 rpm: 18.27
- 8 rpm: 13.99
- 9 rpm: 11.06
- 10 rpm: 8.95
Ce vedem de aici? In primul rand ca dependenta de raza de rotatie face ca simularea unei gravitatii similare cu a Pamantului necesita ori o rata de rotatie foarte mare, ori o structura circulara enorma.
Aplicata unei nave sau statii spatiale, rezulta ca am vrea o rata de rotatie mai mare pentru a domoli tendinta statiei de a deveni exagerat de mare (la urma urmei, un cilindru cu diametrul de o mila nu e tocmai o gluma). Simplu nu?
Ei bine… nu tocmai.
Efectul Coriolis si sensbilitati umane
Suna straniu sa spunem ca NASA era mult mai interesata de gravitatie simulata acum 60 de ani decat in prezent. Realitatea este ca, la inceputurile erei spatiale, nu se stia daca oamenii pot supravietuii in imponderabilitate, sau pentru cat timp. Orice zbor era un potential risc, iar cele mai lungi zboruri durau 7-8-14 zile (cat o misiune Apollo). Asadar, exista un interes special pentru a determina efectele gravitatie simulate asupra oamenilor, dat fiind ca exista riscul ca astfel de metode de simulare a gravitatie sa fie necesare. Din pacate, odata ce agentiile spatiale au inceput la lanseze statii (Saliut, Almaz, Skylab, etc) si sa realizeze zboruri lungi, au ajuns la concluzia ca, desi imponderabilitatea are efecte debilitante, ea nu omoara astronautii brusc si garantat. Asadar, studiile in centrifugi au incetat si, desi au fost tentative, nici un alt experiment de low-G nu a mai zburat. Toate studiile moderne folosesc pacienti imobilizati la pat (care sufera si ei atrofieri, dar e un model experimental extrem de limitat).
Din aceste motive, multe dintre studiile asupra oamenilor sunt din anii 60, 70. Si la ele vom face referinta, chiar daca sunt imperfecte. In majoritatea cazurilor, aceste studii se efectuau pentru a studia efectul Coriolis pregnant care este caracteristic vitezelor de rotatie mari.
Efectul Coriolis este de fapt efectul unei forte aparente. Da, inca una dintre acele forte imaginare care apare drept urmare a faptului ca sistemul tau de referinta se invarte. Rezultatul este ca obiecte care se deplaseaza liber tind sa urmeze traiectorii circulare din punctul de vedere al unui observator aflat in sistemul care se invarte.Adica, pe romaneste, inertia te pacaleste.
Efectul Coriolis (sursa Wikipedia)
Iar cand vorbim de raze de rotatie mici si viteze unghiulare mari, efectele pot deveni foarte pregnante:
Efectul Coriolis (sursa Wikipedia)
De ce e asta important pentru oameni? Ei bine, fiindca in urechea noastra interna avem sistemul vestibular. El consta intr-un sistem de canale mici, umplute cu lichid, si in care plutesc cristale. Aceste cristale intra in contact cu niste filamente in interiorul urechii, si, atunci cand apar acceleratii externe, ele se rearanjeaza, generand senzatia de sus sau jos. In cazul unui sistem rotativ, acele cristale se rearanjeaza aiurea, generand vertij si stari de rau.
Efectul acesta are o caracteristica ciudata : teoretic, daca stai pe loc, nu patesti nimic. Efectul se manifesta atunci cand inclini capul, il rotesti sau ii schimbi pozitia/inclinarea. Si este cu atat mai puternic cu cat viteza de rotatie e mai mare.
Studiile de care va spuneam mai devreme (sintetizate aici) aratau urmatoarea situatie:
- 2 rpm ar fi tolerabil pentru vasta majoritate a oamenilor. Adaptarea necesara ar fi minima
- 4 rpm ar necesita o anumita perioada de ajustare. Rezidentii se pot acomoda, dar eventualii vizitatori ar putea sa aibe nevoie de cateva ore/ 1 zi.
- 6 rpm ar fi tolerabil de catre rezidenti, dar ar necesita o perioada de acomodare destul de lunga pentru vizitatori. Indivizi cu susceptibilitate marita ar avea mari probleme.
- 10 rpm a necesita antrenamente speciale, mai degraba caracteristice pilotilor militari. Chiar daca ar fi tolerabil pentru acestia, majoritatea oamenilor nu a gasi senzatia ca fiind placuta.
Aici trebuiesc facute doua observatii majore: una este natura acelor teste, care duceau subiectii de la stari stationare la stari de rotatie in intervale scurte de timp. Ca atare, ele neglijau perioadele de acomodare. Studii mai noi (ca acestea) tind sa arate ca acomodarea este posibila daca se urmeaza anumite reguli (miscari cu amplitudine redusa, si lente). Si ca poti obtine rate de rotatie destul de bunicele.
De asemenea, daca trecerea de la gravitatie normala sau microgravitatie la cea centrifugala este dificila, cea intre doua rate de rotatie pare sa fie fara probleme (spre ex, de la 8 rpm la 10 rpm). Problema acestor studii mai noi este ca fara milioanele programului spatial, ele nu au avut anvergura foarte mare.
Un alt aspect important este ca nu esti obligat sa simulezi 1 G. Aici, intram, din nou, intr-un regim speculativ, dar este posibil ca simularea unei gravitatii martiene (0.38 G) sau lunare (0.16 G) sa fie suficienta pentru a preveni efectele neplacute ale imponderabilitatii (eventual cu un regim riguros de sport).
Care este gravitatia minima necesara? Vom afla acest raspuns cand ii vom putea convinge pe politcieni si pe alegatorii lor ca banii dati pe spatiu nu sunt bani dati degeaba.
Un ultim aspect de mentionat este ca efectul Coriolis nu se rezuma doar la sistemul vestibular. Orice obiect aruncat ( o minge, turnatul unui lichid, etc) este efectat. Ba chiar si mainile sau picioarele (desi atunci efectul nu e sesizabil decat in cazuri de rate de rotatie foarte mari). Asta are potentiale efecte interesante atunci cand trebuie sa lucrezi in conditii de lumina redusa, bazandu-te pe pipait (pentru ca senzorii propriocentrici care inregistreaza pozitia corpului pot fi pacaliti; miscatul mainii in linie dreapta e traiectoria de energie minima in mod normal, dar nu si intr-un cadru rotativ)
Va urma.
Marian Dumitriu (Checkmate)