За пределами Земли: В поисках нового дома в Солнечной системе

Идея создания тяжести вращением всего корабля или его части связана с явлением, известным любому, кто в детстве играл с грузиком на нитке. Из-за инерции груз стремится лететь по прямой траектории, нить же направляет его по кругу. Сила, необходимая для поворота, создает противоположную центробежную силу, которая направлена от центра окружности наружу. Величина центробежной силы соотносится со скоростью вращения и длиной нити — их увеличение приводит к увеличению силы. При более быстром вращении круг может быть меньше. Для более медленного вращения при той же силе требуется больший круг.

Если в качестве раскручиваемого груза рассматривать человека, то начинается взаимодействие физических законов и физиологии. Центрифуга малого радиуса — например, одноместная установка в космическом аппарате — создаст в ногах астронавта более сильную тяжесть, чем в голове. Работать в такой среде будет затруднительно, так как при движении объекта (даже вашей собственной руки) будет меняться его вес. Также возможно возникновение головокружений. В эксперименте 1960-х гг. людей крутили в центрифуге 12 дней подряд. Когда они привыкали к вращению, большинство из них могли позавтракать, не испытывая неприятных ощущений, но адаптация в начале и по завершении эксперимента занимала один-два дня.

Вращение всего космического аппарата позволяет обойти проблему запуска и остановки вращения. Зипэй воображает себе аппарат гантелеобразной формы, вращающийся вокруг поперечной оси. Пассажиры на одном из концов будут испытывать тяготение 1 g. Чтобы уровень тяжести был таким же на другом конце, аппарат должен иметь в длину 120 м. Если же он вращается вокруг одного конца, а искусственное тяготение создается с другой стороны, потребуется вдвое меньшая длина. В обоих случаях длина диктуется скоростью вращения — 4 оборота в минуту, — определенной исследованием 1960-х гг. как наиболее высокая частота вращения, приемлемая для человека.

Но это исследование давнее, и проводилось оно на Земле, где центростремительная сила складывается с никуда не исчезающей силой тяготения. Есть веские причины поинтересоваться тем, с какой быстротой люди могут вращаться в космосе, где искусственная тяжесть будет единственной испытываемой ими силой.

Искусственная тяжесть привлекла серьезное внимание нынешнего поколения ученых в области космонавтики только после того, как несколько лет назад Майк Барратт и его коллеги, находясь на МКС, обнаружили проблемы опухания зрительного нерва и внутричерепного давления. Интерес усилился в 2014 г., когда Майк созвал на симпозиум сотню ведущих исследователей со всего мира для изучения сложностей, связанных с искусственной тяжестью. В итоговом отчете этой встречи особо отмечаются пробелы в наших знаниях.

«Хотя уже более 100 лет известно, что центробежная сила равносильна для людей и животных искусственному тяготению, мы до сих пор относительно мало знаем о ее физиологическом влиянии и особенно о влиянии длительного центрифугирования, — сообщается в докладе. — На самом деле мы больше знаем о влиянии невесомости в космосе, чем о влиянии центрифугирования длительностью более нескольких часов… Мы не знаем, например, о том, вполне ли безопасно марсианское тяготение 0,38 g и какое минимальное ускорение необходимо для нормального функционирования тела при длительной невесомости».

Теперь, после этого симпозиума, NASA разрабатывает семилетнюю программу по выяснению требований к искусственной тяжести; ответы будут получены к 2022 г. В рамках нынешних планов по исследованию космоса до этого времени подобные сведения NASA не понадобятся.

Другую сторону диалога с инженерами вроде Джона Зипэя представляет Питер Норск, главный врач по профилактическим мерам в NASA. Он занимается поиском сведений для инженеров о необходимых человеку условиях. В идеале Зипэй мог бы дать Норску орбитальную центрифугу, чтобы тот покрутил в ней людей и посмотрел, как они на это отреагируют. На самом деле только так можно получить окончательный ответ. Но такой проект был бы очень дорогим, поэтому пока планы ограничиваются экспериментами с людьми на Земле и работой с грызунами на МКС.

Руководство NASA также обсуждало миссию к одной из точек Лагранжа — таких мест в Солнечной системе, где уравновешенное тяготение Земли, Солнца и Луны создают область, в которой могут стабильно находиться малые объекты. Астронавты, отправившись на космическую станцию в точке Лагранжа, приобретут опыт путешествия в дальний космос, в том числе с искусственной тяжестью, прежде чем браться за куда более сложную миссию к Марсу. Перейдет ли NASA от слов к действиям в этом направлении, зависит от политики президента.