Stele verzi – gravitația simulată (episodul 2)

Daca in episodul trecut am prezentat pe scurt ideea gravitatiei simulate, astazi vom intra in profunzime.

Efecte secundare

Mai sunt cateva efecte care neaparat trebuiesc luate in seama atunci cand vorbim de corpuri in rotatie. De obicei, aceste efecte tin de faptul ca un corp in rotatie capata caracteristici similare cu un giroscop. Putem astfel enumara:

Precesia giroscopica

Un fenomen fascinant care face ca un giroscop caruia i-i se aplica un moment de torsiune sa isi schimbe axa de rotatie. Mai pe romaneste, forta nu face giroscopul sa se invarta unde ai dori, ci la un unghi de 90 de grade fata de ce te-ai astepta.

Efectul se manifesta atunci cand o nava spatiala are o centrifuga care reprezinta un procent semnificativ din masa sa. Pentru o nava care se invarte liber, e mai degraba o ciudatenie de control (spre exemplu, un propulsor care ar misca botul in jos la o nava stationara o va face sa gireze la stanga daca nava are o centrifuga cu axa de rotatie coincidenta cu axa lunga a navei).

Suna straniu, suna ciudat, si e total non-intuitiv, stiu. Dar asta nu inseamna ca o putem ignora. De asemenea, e important sa subliniem ca nu se incalca vreo lege a fizicii. Se schimba orientarea fortei, dar energia/lucrul mecanic generat e identica cu o miscare normala a unui corp stationar. Pentru cei ce doresc sa aprofundeze fenomenul, le recomand urmatorul film scurt:

Instabilitatea axelor

Recunosc, aici e cea mai putin intuitiva, spectaculoasa si dificil de explicat parte a stiintei corpurilor in rotatie. Si asta pentru ca nu am intalnit pana acum o explicatie rezonabila care sa nu implice momente de inertie si matrici de momente de inertie. Totusi, cu scuzele de rigoare, am sa incerc.

In principiu, un corp poate avea trei axe de rotatie, corespunzand celor trei planuri ale sale: XY, YZ si ZX . Ceea ce inseamna ca putem invarti corpul pe toate cele trei axe.

• O axa va reprezenta rotatia pe un plan cu momentul de inertie maxim. E stabila rotatia.
• O axa va reprezenta rotatia pe un plan cu momentul de inertie minim. Din nou, stabila.
• Ultima axa va avea momentul de inertie intermediar. Si aici, miscarea de rotatie nu este stabila, ci se va schimba periodic, ramanand, insa, in acelasi plan de rotatie.

Cele mai spectaculoase exemple le avem din spatiu:

Efectul acesta spectaculos poarta multe nume: efectul rachetei de tenis (care, aruncata in sus cu fata plana orizontala, va face, fara exceptie, o miscare de jumatate de rotatie si in jurul unei a treia axe), efectul axei intermediare (asa apare denumit in cartea lui Lois Poinsot, in 1859, intitulata “Noua fizica a corpurilor in rotatie”) sau efectul Janibekov (rusii, fiind pionieri ai statiilor spatiale, l-au observat repede, si, in buna traditie ruseasca… l-au secretizat vreme de 10 ani… degeaba). Multe nume pentru ca e genul de fenomen pe care amatorii il redescopera periodic.

Efectul se datoreaza unor instabilitati in maniera in care punem corpul sa se invarta. Teoretic, ar putea fi evitat daca reusim sa miscam totul pana la scara atomica exact cum am dori, dar asta e imposibila. De asemenea, el se manifesta asupra corpurilor care au trei axe de rotatie. Un corp cu doua axe (un disc sau cilindru) sau o singura axa (o sfera) nu il prezinta. In final, el nu se manifesta daca nava se invarte in jurul unei axe stabile. Natura brusca a schimbarilor, insa, e problematica, mai ales pentru ca, din punctul de vedere al ocupantilor navei, el aduce si schimbari de viteza in timpul alteratiei (“gravitatia” fiind, de fapt, un efect centrifug).

Miscari interne de masa

Aici e cam la mintea cocosului, dar daca misti chestii in interiorul spatiului de rotatie (apa, mancare, oameni, etc) poti sa descentrezi ansamblul. Si asta e cu atat mai grav, cu cat anumite sectiuni ale cercului vor simti gravitatie mai putina, iar altele mai multa. Asadar, orice nava care are o astfel de sectiune in rotatie trebuie sa aibe si un sistem de echilibrare, probabil cu contragreutati atasate “spitelor”, care s-ar misca in sus si in jos, pentru a echilibra momentele in diferite parti ale navei. Alternativ, orice nava are o instalatie de apa (care, in diferitele ei forme, e una dintre cele mai utile substante cunoscute omenirii). Poti pompa acea apa in diferite locuri pentru a echilibra sistemul (de asemenea, aflandu-se la exteriorul acelui cilindru, in podea din perspectiva echipajului, ea poate actiona ca scut de radiatie).

Dificultati tehnice

Punerea in miscare a unui astfel de corp nu e neaparat o sarcina simpla. In functie de cata energie inmagazinezi in acea miscare, s-ar putea sa consumi destula masa de reactie/combustibil.

Teoretic, odata ce ajungi la destinatie, trebuie sa consumi la fel de multa pentru a te opri din rotatie. Aici exista un aspect care ar putea fi de folos: daca nava ta e in trepte, poti folosi o treapta goala ca si contra-greutate in timpul zborului, pentru a genera gravitatie artificiala. Iar cand ajungi la destinatie, te poti separa de ea intr-un moment potrivit pentru a capata o noua traietorie, similar cu proba de aruncarea ciocanului de la Jocurile Olimpice. In esenta, folosesti contragreutatea ca si masa de reactie. Trebuie, insa, sa tii cont de faptul ca, odata ce piesele se separa, fiecare dintre ele se va invarti singura in jurul axei lor verticale (pentru ca momentul se conserva).

Un exemplu al unui sistem de folosire a unei trepte ca si contragreutate. Exemplul de mai sus e dintr-o serie de studii din anii 70 din cadrul programului Apollo Applications Programme, din care, in final, nu a supravietuit decat statia SkyLab. Imagine preluata de pe blogul lui David S. Portree (autor North American Aviation/NASA)

 

Zone de contact

De asemenea, daca dorim sa punem un cilindru cu un spatiu habitabil in miscare, putem sa impingem in restul navei… dar asta ar face ca restul navei sa se invarta in sens invers.Si asta nu e tot: lagarii nu sunt 100% eficienti in a transmite miscarea (chiar si cele electromagnetice genereaza un fel de frecare prin inductie si curenti Eddy), si necesita diferite tipuri de lubrifianti speciali, sau, dupa caz, materiale speciale.

Solutia ar fi sa impartim cilindrul in mai multe sectiuni care sa se invarta in sensuri opuse, pentru stabilitate. Doua sectiuni nu ar fi indeajuns, din cauza efectelor enumerate mai sus, dar trei (doua mici, egale, la capete, si una mare in mijloc) ar functiona.In felul acesta, putem anula si efectele giroscopice. Nu toate trebuiesc sa fie habitabile: unele dintre sectiuni pot fi simple mase folosite ca depozite de materiale (apa, aer, combustibil, etc) sau ca scuturi de radiatie.

Miscarile cauzate de pierderile prin lagari enuntate mai sus s-ar anula si ele, dar tot ar constitui o forma de pierdere a energiei (prin generare de caldura; practic, cilindrii si-ar pierde in timp din viteza, necesitand ocazionale re-accelerari; pentru ca pierderile sunt graduale, ele pot fi compensate chiar si cu propulsoare relativ anemice ca tractiune, dar foarte eficiente, cum sunt cele electrice).

Exemplu pentru scenariul de mai sus. Imagine preluata de pe site-ul projectrho

Desigur ca lagarele nu sunt singura problema. Mai ai punctele de transfer al apei, curentului electric (contacti mobili) si aerului… Ah, si, desigur, zone de acces pentru echipaj. Toate trebuie realizate tinand cont de natura cintetica a sistemului.

Sectiuni circulare

E dificil sa faci un obiect rotund sa incapa pe o racheta. Rachetele sunt chestii lungi si subtiri, si le place sa poarte lucruri la fel de lungi si subtiri. Asta e motivul pentru care majoritatea modulelor statiei spatiale sunt cilindri: pe romaneste, ai probleme cu gabaritul.

In spiritul ideilor nefericite, dar entuziasmate, in anii 60, inginerii de la Lockheed au propus o statie spatiala formata din mai multe brate drepte conectate cu legaturi mobile. Ea ar fi lansata dintr-o bucata, si, ajunsa pe orbita, s-ar desfasura.

Statia Lockheed, maniera de desfasurare si lansare si structura puntilor

Vedere de sus a statie

Problema e ca centrul unui modul e mai apropriat de centrul de rotatie. Dat fiind ca intregul modul se invarte cu aceeasi viteza unghiulara, gravitatia in centru va fi mai scazuta, iar miscarea de la un “varf” al statiei spre mijlocul unui modul va fi similara cu urcatul unui deal (chiar daca, paradoxal, el e teren plat). De asemenea, un obiect plasat in mijloc va tinda sa “cada” inspre capete, sub efectul aceluiasi gradient.

Lockheed propunea un fel de “trepte” pentru a contracara aceasta problema. Mie personal, mi-i se pare intreaga idee nefericita (chiar daca imaginea unei statii spatiale cu terase interne, ca o orezarie asiatica, ma amuza extrem). Ca sa fiu, insa, perfect sincer, Lockheed nu avea experienta cu module gonflabile la acea vreme, asa ca nu ii pot invinovati ca incercau sa bage piesa dreapta in gaura ovala.

Un efect similar tine de eventuale module mici cu rotatie rapida, si anume faptul ca asupra capului actioneaza gravitatie mai putin decat asupra picioarelor. Efectul nu are un nume formal (pasionatii de SF il denumesc “baloon head”, adica cap de balon, pt ca ar da senzatia ca partea de sus a corpului cantareste foate putin, dar e atasata de o baza grea, din ciment). Diferenta de gravitatie devine din ce in ce mai sesizabila pe masura ce folosim rotatii mai rapide. Ce efecte ar avea asupra oamenilor? Nu stim… posibil vertij, posibil stari de greata, sau… nimic. Din nou, date insuficiente.

Cuvant final

Unii probabil ca au simtit dureri de cap citind articolul de mai sus. Imi cer scuze, dar e un domeniu destul de vast si complicat de explicat, asadar eu doar incerc sa ofer datele esentiale ale problemei. Cei interesati poti cu usurinta sa gaseasca informatii suplimentare daca doresc.

Altii vor pleca pesimisti de la acest articol, spunand ca e dovada suplimentara ca zborul spatial e imposibil (sau ca necesita “o noua fizica”, fraza care ma amuza; da’ ce are vechea fizica, dom’le?..). Eu unul nu sunt de acord. Fiecare dintre aspectele mentionate mai sus e rezolvabila intr-un fel sau altul, si de accea am incercat sa mentionez si aplicabilitatea lor si cum pot fi prevenite. Nici macar nu trebuiesc structuri masive reziste: un simplu ansamblu de cabluri, ca in exemplul de mai sus, e suficient (cablurile au 0 rezsitenta la inconvoiere si comprimare, dar mare rezistenta la tractiune, prin natura lor).

Marea hiba a gravitatiei simulate e ca e un domeniu subfinantat. E ciudat: daca prin anii 60 agentiile spatiale erau ferm convinse ca gravitatia artificiala e necesara, in anii 70 au ajuns la concluzia exact opusa. De ce? Din motive financiare (misiunile de cursa lunga au ajuns tabu din motive de bani, iar habitatele spatiale trebuiau sa fie cat mai simple ca sa aibe sansa de a fi finantate), de practicalitate (daca nu-ti mor astronautii, de ce sa cheltuiesti bani?) si de imagine (cand ceva nu mai e sexy, e usor de ignorat sau maltratat; d-aia antreprenorii spatiali au grija sa genereze incontinuu hype pe tema misiunilor lor, atlfel ajung usor de starpit; e o strategie de supravietuire necesara, din pacate).

Ori, ingineria nu functioneaza asa. Ideea de a face un program spatial doar ca sa dea bine la camere o gasesc usor insultatoare. Lucrul bine facut e uneori ieftin, alteori scump, dar e sacru, si nicaieri nu e asta mai important decat intr-un mediu ostil precum spatiu (si, eventual, in mediul submarin).

Exista si o alta metoda de a genera un gradient gravitational: forta propulsiva. Teoretic, daca ai o nava care poate accelera jumatate din calatorie la 1G, se invarte, si deccelereaza cealalta jumatate tot la 1G, te-ai scos. Acest tip de gravitatie simulata ar fi imposibil de distins de gravitatia adevarata (fara efecte Coriolis, si celelalte ciudatenii). Problema e ca nu avem motoare atat de puternice si eficiente ca si combustibil, si, chiar daca le-am avea, nu ar fi disponibile oricui (pt ca pot accelera la viteze relativistice, devenind arme de distrugere in masa).

In ultimul rand, multe dintre problemele fiziologice ale microgravitatiei tin de intoarcerea pe Pamant. Teoretic, odata ce te-ai adaptat in spatiu (si majoritatea astronautilor spun ca adaptarea e destul de rapida) poti sa ramai acolo. Desigur, in ziua de astazi, ideea de a exila oameni in spatiu ar fi nefericita, dar nu avem de unde sti ca intr-un viitor, mai mult sau mai putin indepartat, nu ar exista intregi culturi care s-ar dezvolta in 0G. Pentru ele, gravitatia s-ar putea sa para o non-problema. Sau nu, daca se releva ca dezvoltarea fatului necesita gravitatie, caz in care ar fi necesara o solutie hibrida, cu copii nascuti in adaposturi cu gravitatie simulata si cazare temporara.

Suna ciudata, dar ganditi-va ca, de obicei, marinarii nu se nasteau pe mare. De altfel, o analogie buna pentru o astfel de cultura ar fi civilizatia polineziana din Pacific. Acesti oameni traiau pe insule, dar, fiind expusi marii tot timpul, si extrem de dependenti de ea (fiindca insulele erau sarace in resurse precum mancare, apa, lemn, etc), au evoluat in cei mai mari exploratori maritimi ai omenirii. Unde europenii foloseau sextant, harti si astrolab, ei foloseau scoici si pietre si stele si curenti marini, strabatand Pacificul din Indonezia pana pe Insula Pastelui, in largul coastelor chiliene, si din Hawaii pana in Noua Zeelanda. Copii se nasteau pe insule, fireste, dar, expusi marii de mici, plecau din loc in loc.
Similar, o cultura in imponderabilitate (cum ar fi diferitele tipuri de “centurieni” din fictiune) ar invata de mici cum sa aibe grija de habitatele lor, de navele lor, si ar avea instincte bune referitor la felul in care lucrurile se misca in spatiu. La urma urmei, culturile se dezvolta in functie de mediul in care traiesc. Si imponderabilitatea are avantaje (poti realiza aliaje speciale, cu structuri moleculare foarte smechere, sau cristale de inalta puritate pentru microcipuri si celule solare; sau molecule noi pentru medicamente inedite, si multe, multe altele; de asemenea, e un avantaj sa poti folosi intregul volum al unei camere).

Pana atunci, insa, pare-se ca avem inca nevoie de gravitatie, iar porumbeii in rostogolire (adica nave lungi care se invart in jurul axei scurte) sunt tot timpul mentionati. Si pe buna dreptate: in timpul Apollo 7, unul dintre membrii echipajului s-a urcat la bord racit. In mediul claustrat al navei, in curand, toti membrii au racit. O raceala care pe Pamant, nu ar fi insemnat mare lucru a devenit o durere de cap in spatiu… literalmente: fara gravitatie, sinusurile nu se dreneaza, iar astronautii, pe langa sarcinile lor normale, au suferit de dureri intense de cap (motiv pentru care au fost si primii care au aterizat fara casti, in vociferarile dezaprobatoare ale NASA).

Deci da, mai avem de lucru. Una dintre misiunile care nu a zburat vreodata, si care ocupa un loc inalt in topul meu personal de misiuni regretat, se se numea Mars Gravity Biosatellite. Ar fi lansat 15 soareci pe orbita, intr-un satelit echipat cu o centrifuga pentru a vedea care era efectul asupra soarecilor a unei gravitatii martiene.Ar fi durat 5 saptamani, si apoi soarecii ar fi fost recuperati si studiati. Simplu si ieftin.

Din pacate, desi trebuia sa zboare in 2009, a luat calea taierilor bugetare (la fel ca modulul-centrifuga de pe ISS). Motivul? Una din frazele pa care am ajuns sa o detest cel mai mult: “Shifting priorities.”… Avem probleme cu durata atentiei, se pare.

Dar… perseveram. Merita.

Prototip al unui modul gonflabil pentru o statie spatiala. Spre deosebire de Lockheed, Goodyear Aircraft Coorporation se pricepea la chestii gonflabile, si le-a studiat indelung impreuna cu NASA, care, folosind experienta acelor studii, a realizat, decenii mai tarziu, prototipul gonflabil Transhab. Modulul Goodyear putea fi folosit atat pe o planeta cum e Marte, dar si in spatiu, rotindu-se. (sursa NASA)

 

Marian Dumitriu (Checkmate)