Спросите Итана: способен ли трос из кевлара обеспечить искусственную гравитацию в космосе?

36 минут назад Прокомментировать Просмотры: 12

Идея троса, связывающего две массивные капсулы, — наиболее экономичный и малозатратный путь к созданию искусственной гравитации, способной принять нескольких астронавтов в открытом космосе. Однако вопрос о том, созрела ли эта технология для реального применения, упирается в наши инженерные возможности: сумеем ли мы сохранять трос устойчивым на дистанциях, достаточных для комфортной жизни людей. Источник: CL Vancil/Wikimedia Commons

Серьёзнейшая преграда для полноценной жизни человека в космосе — наша неспособность нормально переносить невесомость и пониженную гравитацию. Может ли решение скрываться в двух вращающихся капсулах, скреплённых тросом?

Итан Сигел, 9 октября 2026

Главное:

В условиях микрогравитации организм человека сталкивается с целым букетом расстройств: космической слепотой, утратой костной ткани, мышечной атрофией, нарушениями сна и многим другим.
Чтобы смягчить долгосрочное влияние нулевой гравитации (или микрогравитации) на тело, многие предлагают воспользоваться принципом эквивалентности Эйнштейна и заменить гравитационное ускорение ускорением иной природы — и этот путь вполне реален.
Тем не менее большинство проектов искусственной гравитации, где вращение и центростремительное ускорение позволяют сравнительно компактным конструкциям имитировать тяготение, упираются в серьёзную проблему — побочные эффекты для вестибулярного аппарата. Это главный биологический барьер, с которым людям придётся считаться.

Если мы намерены надолго обосноваться в космосе, нужно быть готовыми к целому ряду недугов. Нулевая гравитация (или микрогравитация) во многом губительна для привычной работы человеческого организма. Когда исчезает гравитация, которая задаёт нам ориентацию, тянет органы вниз и создаёт нагрузку, заставляющую тело наращивать и поддерживать крепкие кости и мышцы, возникает множество проблем, и чем дольше мы остаёмся в космосе, тем сильнее они накапливаются и обостряются. Не случайно большинство астронавтов проводят на орбите сравнительно недолго: в невесомости тело заметно деградирует, и после возвращения на Землю нам куда труднее приспособиться к нормальной жизни.

Один из способов обойти эту трудность — создать искусственную гравитацию прямо в космосе. Ведь одно из величайших озарений Эйнштейна — принцип эквивалентности: гравитация представляет собой просто одну из форм ускорения, и наблюдатель, испытывающий это ускорение, не в состоянии определить, гравитационное оно или нет. Так нельзя ли воспользоваться недорогим вариантом искусственного ускорения — двумя вращающимися кораблями, скреплёнными тросом? Об этом в своём письме спрашивает Джон Томлинсон:

«Какой длины должен быть кевларовый трос, чтобы астронавты ощущали центростремительное ускорение так же комфортно, как и гравитацию? Почему бы не вывести на орбиту километровый кевларовый трос, не натянуть его между двумя капсулами, не раскрутить всю конструкцию и не получить искусственную гравитацию?»

В принципе, это возможно. Более того, теоретически можно добиться даже значения, равного силе тяжести на поверхности Земли. Но на практике на этом пути встанут серьёзные препятствия. Ниже — о том, какие трудности нас ожидают.

Здесь, на Земле, в поле тяготения нашей планеты, невозможно «заслониться» от её гравитационного воздействия: гравитационно отрицательных зарядов, масс и форм энергии не существует. В этой замкнутой комнате реализуются условия свободного падения: находящиеся в ней наблюдатели не ощущают результирующего ускорения относительно окружающих предметов. Изнутри невозможно определить, покоитесь вы или движетесь равномерно, — можно лишь заключить, что ваше ускорение относительно окружения нулевое, ведь вы ощущаете невесомость. Источник: Jim Campbell — Здесь, на Земле, в поле тяготения нашей планеты, невозможно «заслониться» от её гравитационного воздействия: гравитационно отрицательных зарядов, масс и форм энергии не существует. В этой замкнутой комнате реализуются условия свободного падения: находящиеся в ней наблюдатели не ощущают результирующего ускорения относительно окружающих предметов. Изнутри невозможно определить, покоитесь вы или движетесь равномерно, — можно лишь заключить, что ваше ускорение относительно окружения нулевое, ведь вы ощущаете невесомость. *Источник: Jim Campbell*

В NASA давно известно, что накопительное воздействие длительных космических полётов на организм человека глубоко и в подавляющем большинстве случаев негативно. Сегодня для его оценки используют аббревиатуру RIDGE, в которой зашифрованы виды неблагоприятных факторов:

Radiation (Радиация) — как электромагнитное, так и корпускулярное излучение;
Isolation (Изоляция) — оторванность от людей и пребывание в замкнутом пространстве;
Distance (Расстояние) — удалённость от Земли;
Gravity (Гравитация) — пониженная (нулевая или микро-) гравитация, возникающая за пределами Земли;
Environment (Окружающая среда) — жизнь во враждебном, тесном, замкнутом пространстве.

С радиацией можно справиться с помощью надёжной многослойной защиты и пребывания под прикрытием магнитосферы Земли и радиационных поясов Ван Аллена. Изоляция, как выяснилось, действует лишь на некоторых астронавтов и только в краткосрочной перспективе — об этом свидетельствует опыт Валерия Полякова, нынешнего рекордсмена по продолжительности непрерывного космического полёта, проведённого на станции «Мир» в 1994–1995 годах. Расстояние и окружающая среда не обязательно фатальны: это в основном психологические эффекты, которые можно смягчить разными мерами или попросту отбирая людей, менее восприимчивых к ним.

А вот гравитация — буква «G» в RIDGE — действительно представляет серьёзную проблему для астронавтов и в физическом, и в психологическом смысле.

На снимке — космонавт Валерий Поляков 6 февраля 1995 года, на тринадцатом месяце своего рекордного пребывания на орбитальной станции «Мир». Фотография сделана с борта шаттла NASA Discovery (STS-63) в ходе сближения с базовым блоком «Мира». Источник: NASA — На снимке — космонавт Валерий Поляков 6 февраля 1995 года, на тринадцатом месяце своего рекордного пребывания на орбитальной станции «Мир». Фотография сделана с борта шаттла NASA Discovery (STS-63) в ходе сближения с базовым блоком «Мира». *Источник: NASA*

Земная гравитация выполняет множество задач, и если её убрать (точнее, устранить силу нормальной реакции опоры, которая подталкивает нас вверх в гравитационном поле Земли), мы теряем возможность выполнять эти функции либо делаем это с трудом. Среди них:

Проприоцепция — способность ощущать границы собственного тела и понимать, как прилагаемые нами усилия связаны с его движением. Лишившись ориентирующей силы тяжести, мозг вынужден переучиваться всему этому заново.
Сила нормальной реакции опоры, которая толкает нас вверх, когда мы лежим, сидим, стоим, идём или бежим, создаёт нагрузку, укрепляющую мышцы и кости, и дарит ощущение устойчивого равновесия. Подобно свободному падению на американских горках, невесомость вызывает у астронавтов непрекращающуюся тошноту — будто желудок подкатывает к горлу.
Способность лучше засыпать, когда мы ложимся. В невесомости нет понятия «вниз», а значит, нет и положения лёжа, удобного для тела. В начале нынешнего века NASA запустило программу «подушконавт» (pillownaut) и выяснило: когда нулевую или пониженную гравитацию имитировали, наклоняя кровати головой вниз, участники засыпали и сохраняли сон заметно хуже.
И наконец, гравитация позволяет жидкостям организма находить равновесное положение. Нарушение этого равновесия сказывается на всём — от космической анемии и болезней пазух до самой нашей способности видеть; к тому же оно вызывает постоянные позывы к мочеиспусканию и тем самым создаёт непрерывную угрозу обезвоживания.

Со временем всё это оборачивается множеством недугов, включая остеопению — серьёзную потерю плотности костной ткани (примерно 1,5% в месяц) — и мышечную атрофию, развивающуюся значительно быстрее: за несколько недель теряется 10–20% мышечной массы. Лишь очень немногие астронавты, долго пробывшие в космосе, способны самостоятельно ходить сразу после возвращения на Землю.

В 2015 году итальянский астронавт Европейского космического агентства Саманта Кристофоретти вернулась на Землю в спускаемой капсуле «Союз ТМА-15М», завершив работу на Международной космической станции в составе 43-й экспедиции. Как и многим астронавтам после посадки, ей понадобилась помощь, чтобы выбраться из капсулы и передвигаться: из-за мышечной атрофии и потери плотности костей самостоятельная ходьба сразу после приземления была бы для неё крайне рискованной и опасной. Источник: NASA/Bill Ingalls — В 2015 году итальянский астронавт Европейского космического агентства Саманта Кристофоретти вернулась на Землю в спускаемой капсуле «Союз ТМА-15М», завершив работу на Международной космической станции в составе 43-й экспедиции. Как и многим астронавтам после посадки, ей понадобилась помощь, чтобы выбраться из капсулы и передвигаться: из-за мышечной атрофии и потери плотности костей самостоятельная ходьба сразу после приземления была бы для неё крайне рискованной и опасной. *Источник: NASA/Bill Ingalls*

Впрочем, Эйнштейн подсказывает нам выход из этой ловушки. Люди действительно могли бы жить в космосе гораздо дольше нынешнего рекорда в 14 месяцев, если бы вместо естественной гравитации земной поверхности мы использовали ускорение космического корабля — будь то на околоземной орбите или где-то в межпланетном пространстве. Принцип эквивалентности Эйнштейна утверждает: наблюдатель в замкнутом пространстве (скажем, в лифте или ракете) никак не может отличить гравитационное ускорение, тянущее всё вниз, к центру Земли, от ускорения любой другой природы. И то и другое одинаково надёжно задаёт нам направление.

Самый простой случай — линейное ускорение: ракета непрерывно разгоняется, сообщая всему внутри постоянное ускорение, которое вполне может равняться земному g, то есть 9,8 м/с². При таком непрерывном ускорении астронавты ощущали бы те же силы — и такую же силу нормальной реакции опоры, и те же физиологические нагрузки внутри тела, что и в покое на поверхности Земли. Это был бы самый простой и прямолинейный способ создать искусственную гравитацию, но он требует колоссальных и постоянных затрат энергии на поддержание непрерывной тяги.

На этой анимации в реальном времени показано, как выглядела бы вращающаяся космическая станция диаметром 50 метров: два красных шара выпущены из состояния покоя и продолжают двигаться по траектории, определяемой лишь вращением станции. Шар в центре остаётся на месте, а шар у края перелетает от одной точки к другой под действием центростремительного ускорения. Между двумя последовательными отскоками проходит примерно одна шестая оборота, хотя силы Кориолиса, действующие на человека на такой станции, были бы невероятно неприятными. Источник: P. Fraundorf/Wikimedia Commons — На этой анимации в реальном времени показано, как выглядела бы вращающаяся космическая станция диаметром 50 метров: два красных шара выпущены из состояния покоя и продолжают двигаться по траектории, определяемой лишь вращением станции. Шар в центре остаётся на месте, а шар у края перелетает от одной точки к другой под действием центростремительного ускорения. Между двумя последовательными отскоками проходит примерно одна шестая оборота, хотя силы Кориолиса, действующие на человека на такой станции, были бы невероятно неприятными. *Источник: P. Fraundorf/Wikimedia Commons*

Альтернатива — вместо линейного ускорения воспользоваться вращательным. Это изящное решение обсуждается как минимум с 1929 года, когда исследователь, известный как Нордунг (Noordung, настоящее имя — Герман Поточник, Hermann Potočnik), опубликовал книгу «Проблема космических путешествий»; её английский перевод доступен на сайте NASA. Хотя вариантов реализации этой идеи множество, простейший из них — крупная цилиндрическая или колесообразная станция, вращающаяся вокруг центральной оси: в центре царит невесомость, а по внешнему краю вращение порождает центростремительную силу. (Широкую известность эта концепция получила благодаря станции из фильма 1968 года «2001 год: Космическая одиссея».)

Самая дешёвая и наименее затратная версия обходится без строительства громоздкого цилиндра или колеса:

берём две капсулы одинаковой массы,
разводим их на некоторое расстояние,
соединяем тросом, который невозможно растянуть или порвать,
после чего приводим их в относительное движение — равномерное вращение по окружности вокруг общего центра масс,

и они продолжат кружиться вокруг этой неподвижной точки, а центростремительное ускорение создаст силу нормальной реакции опоры, всегда направленную к противоположной капсуле. На протяжении XX и XXI веков эта схема служила благодатной почвой для художников, футурологов и любителей космоса самых разных мастей.

Тросы применяются в космосе с самых первых полётов — например, 24-метровый трос между кораблём Gemini-11 и целевым стыковочным аппаратом Agena, запечатлённый на этом снимке после расцепки. Космические тросы служат разным целям, и создание связи во вращающейся системе с искусственной гравитацией — лишь одна из них. Источник: NASA — Тросы применяются в космосе с самых первых полётов — например, 24-метровый трос между кораблём Gemini-11 и целевым стыковочным аппаратом Agena, запечатлённый на этом снимке после расцепки. Космические тросы служат разным целям, и создание связи во вращающейся системе с искусственной гравитацией — лишь одна из них. *Источник: NASA*

Но насколько это решение действительно годится для устойчивого долговременного присутствия человека в космосе?

Чтобы получить заметную искусственную гравитацию, близкую к земному g, корабль должен вращаться с определённой скоростью: центростремительное ускорение задаётся формулой a = v²/r. Поскольку угловая скорость равна v/r, для воспроизведения земного ускорения свободного падения пара капсул, разделённых тросом:

длиной 20 метров должна вращаться со скоростью чуть меньше 10 оборотов в минуту,
длиной 200 метров — примерно 3 оборота в минуту,
длиной 2000 метров — чуть меньше 1 оборота в минуту,

и это наглядно показывает главный изъян такого подхода.

Источник

Comments - Cackle

Похожие статьи