Kur jūs, besisukančios kosminės stotys?

Kosmosas Kur jūs, besisukančios kosminės stotys?...

Babilonas-5, Tycho stotis iš serialo „Expanse“, Discovery One iš „Kosminės Odisėjos“ – besisukančių erdvėlaivių ir kosminių stočių fantastikoje apstu. O kodėl jų neturime realybėje? Atsakymo reikia ieškoti ir inžinerijoje, ir biologijoje.

Paskutinė ir geriausia taikos viltis – besisukanti kosminė stotis neutralioje erdvėje. ©Warner Bros Television

Besisukančios kosminės stoties ar erdvėlaivio idėja yra beveik tokia pat sena, kaip ir raketų mokslas. Na, da Vinci ar Simonavičius apie jas gal ir nerašė, bet pačioje XX a. pradžioje tokią idėją iškėlė Konstantinas Ciolkovskis, vienas iš astronautikos pradininkų. Iš principo ši idėja yra labai paprasta ir aiški.

Orbitoje skrendančioje kosminėje stotyje esantys objektai juda kartu su stotimi, todėl nejaučia gravitacijos. Tai gali sukelti įvairių nepatogumų ir sveikatos problemų, todėl norėtųsi gravitaciją sukurti, o jei tai nepavyksta – bent kažkaip kitaip atkartoti jos poveikį. Paprasčiausias būdas tai padaryti – įsukti cilindro pavidalo stotį. Tada daiktai cilindro viduje dėl įcentrinio pagreičio jaučia sunkio jėgą, nukreiptą tolyn nuo sukimosi ašies. Apskaičiuoti stoties spindulį ir sukimosi greitį, reikalingą norint sukurti žemės gravitacijai analogišką jėgą, – mokyklinis uždavinys, reikalaujantis vos vienos formulės: a = ω^2 r. Čia a – pagreitis (Žemėje – apie 10 m/s^2), ω – kampinis sukimosi greitis, matuojamas radianais per sekundę, o r – spindulys. Tad, pavyzdžiui, Žemės paviršiaus traukai analogišką pagreitį sukuria ir 100 metrų spindulio stotis, besisukanti 0,3 radiano per sekundę (vienas apsisukimas per 20 sekundžių), ir 10 metrų spindulio stotis, besisukanti 1 radianą per sekundę (vienas apsisukimas per 6 sekundes). Variacijų yra – daugiau jų paskaičiuoti galite kad ir čia, – bet fizikinė dalis kaip ir aiški.

Rimčiau tokie statiniai pradėti svarstyti XX a. viduryje, jau prasidėjus kosminėms lenktynėms tarp JAV ir Sovietų sąjungos. Šeštame dešimtmetyje apie tai rašė vienas iš JAV kosmoso programos kūrėjų Wernheris von Braunas. 1959 metais NASA komitetas besisukančią kosminę stotį įvardijo kaip sekantį logišką žingsnį po Merkurijaus programos – pirmosios žmonių skrydžių į kosmosą programos JAV. Šis planas nenusisekė ir tikslu buvo pasirinktas Mėnulis bei puikiai žinoma „Apollo“ programa. 1975 m. NASA grįžo prie idėjos: surengė didelę konferenciją, kurioje nagrinėjo kosmoso kolonizavimo perspektyvas, tarp jų – ir besisukančias stotis. Po dvejų metų paskelbta išsami galimybių studija. Jos išvados – kurti ir tobulinti kosmoso infrastruktūrą reikia, tačiau besisukančios stotys neminimos.

NASA didžiulės kosminės stoties plano vizualizacija. ©NASA Ames Research Center / Don Davis

Problemos, su kuriomis susiduria besisukančių kosminių stočių planai, yra dvejopos. Pirma problemų grupė – inžinerinė. Besisukantį objektą pagaminti yra sunkiau ir brangiau, nei nesisukantį. Besisukanti stotis turi išlaikyti balansą – masės centras turi visada sutapti su sukimosi ašimi, taigi joje turi būti specialių atsvarų, galinčių kompensuoti masės pokyčius, vykstančius perkeliant viduje esančius objektus ar tiesiog vaikštant žmonėms. Reikalingos komunikacijų ir kitokių tinklų jungtys tarp besisukančios ir nesisukančių dalių. Galų gale, besisukantys komponentai tempia juos laikančias struktūros dalis, taigi reikia atsižvelgti ir į komponentų fizinį atsparumą. Nei viena iš šių problemų nėra neįveikiama, tačiau jų sprendimai tikrai reikšmingai pabrangintų bet kokią kosminę misiją.

Ištrauka iš filmo „Interstellar“. ©Warner Bros Pictures

Antra problemų grupė – biologinė. Nors sukimosi kuriamas pagreitis ir gravitacija turi panašumų, jie nėra visiškai vienodi, o skirtumai sukelia įvairių nepatogumų žmonėms. Bene elementariausias nepatogumas kyla iš to, kad paleistas besisukančioje stotyje objektas judės ne taip, kaip intuityviai tikimės. Tarkime, laisvai kristi paleistas kūnas nukris ne tiesiai žemyn, o atgal (žiūrint pagal sukimosi kryptį); aukštyn nuo grindų pametėtas kamuolys nukris kažkiek priekyje. Žmogus, pašokęs į orą, irgi nusileis priekyje, ir dar kampu. Taigi paimti, nešti ir paduoti daiktus tektų mokytis iš naujo; net ir eiti gali būti nepatogu. Laimei, tyrimai rodo, kad prie tokių pokyčių įmanoma priprasti. Tik reikia, kad erdvėlaivis nesisuktų per greitai. Koks yra maksimalus sukimosi greitis, dar leidžiantis jaustis patogiai, neaišku, mat skirtingi tyrimai duoda labai skirtingus rezultatus: nuo vieno apsisukimo per 10 minučių iki vieno apsisukimo per mažiau nei tris sekundes. Visgi panašu, kad didesni nei vieno apsisukimo per 15 sekundžių greičiai reikalauja nemenko adaptacijos periodo. Tai yra vienas iš apribojimų besisukančios kosminės stoties statyboms, ypač jei stotis būtų skirta ne tik moksliniams ar kariniams, bet ir civiliniams tikslams, pavyzdžiui kaip viešbutis. Juk joks viešbučio savininkas nenorėtų, kad klientai jame apsilankę susirgtų jūros liga.

Buvimo besisukančioje stotyje poveikis demonstruojamas seriale „The Expanse“. ©SyFy channel

Antra žmonėms kylanti problema irgi gali sukelti jūros ligą. Tai – traukos skirtumas tarp kojų ir galvos. Žemėje ir mūsų kojas, ir galvą veikia praktiškai identiška traukos jėga, tačiau kosminiame laive taip nebūtų. Įcentrinis pagreitis, atstojantis gravitaciją, yra proporcingas spinduliui, taigi jei stoties cilindro spindulys yra, pavyzdžiui, 10 metrų, o žmogaus ūgis – 2 metrai, galva jaučia 20 proc. mažesnę traukos jėgą, nei kojos. Jei šis skirtumas tampa labai didelis, tai gali būti pavojinga žmogaus sveikatai ar net gyvybei, nes smegenis tampa vis sunkiau aprūpinti krauju. Ne toks didelis skirtumas gali būti nepavojingas, bet sukelti nemalonių pojūčių, kai kojos atrodo švininės, o galva – lengva. Tikslius skaičius čia nustatyti irgi sudėtinga. Panašu, kad kartais žmonės gali ištverti net 25 proc. traukos skirtumą vienam metrui, nors dažniau tyrimai teigia, kad skirtumas neturėtų viršyti 8 proc. vienam metrui, arba maždaug 15 proc. žmogaus ūgiui.

Apibendrinant žmogiškuosius faktorius, jei norime sukurti Žemės gravitacijai prilygstančią jėgą, mūsų stotis tikrai turėtų būti didesnio nei 25 metrų spindulio, o geriausia – daugiau nei 200 metrų spindulio. Tokius gabaritus galima palyginti su Tarptautine kosmine stotimi (TKS), kuri yra maždaug futbolo aikštės dydžio. Tiesa, didžiąją jos dalį sudaro Saulės baterijos ir kiti išoriniai įrenginiai, o įgulos modulis yra gal dešimties metrų skersmens. Tad norint pastatyti besisukančią kosminę stotį ar kosminį laivą, reikėtų didesnių investicijų, nei į TKS, kuri kainavo apie 100 milijardų dolerių.

Nepaisant šių problemų – ir inžinerinių, ir biologinių – besisukančias kosmines stotis pagaminti įmanoma. Tik reikia atsakyti į klausimą, kam jos mums. TKS vykdomi tyrimai daugiausiai naudojasi ten esančiomis mikrogravitacijos sąlygomis, taigi kurti joje surogatinę gravitaciją nėra prasmės. Iš kitos pusės, besisukantys laivai ar kosminės stotys gali būti labai naudingi ilgoms žmonių misijoms, pavyzdžiui kelionėms į Marsą. Tai padėtų išvengti daugybės sveikatos problemų ir galbūt sukurtų malonesnę aplinką, nei mikrogravitacijos sąlygos. Taigi gali būti, kad besisukančius kosminius laivus pamatysime per artimiausius keletą dešimtmečių, nors apsieiti įmanoma ir be jų.

Filme „Marsietis“ laive „Hermis“ yra besisukanti gyvenamoji zona. ©20th Century Fox

Techo naujienos į Jūsų el. pašo dėžutę: