Z ciążeniem ciężko, ale bez niego jeszcze gorzej

Z ciążeniem ciężko, ale bez niego jeszcze gorzej
Widziane nie raz na filmach "włączanie" grawitacji na pokładzie statku podróżującego przestrzeni kosmicznej wygląda bardzo fajnie. Tylko, że ich twórcy prawie nigdy nie tłumaczą, jak to się robi. Czasem tylko jak w "2001: Odysei Kosmicznej" (1), czy w nowszych "Pasażerach", pokazane jest, że by imitować ciążenie statek musi zostać wprowadzony w ruch obrotowy.

Można by zapytać trochę prowokacyjnie - po co nam w ogóle grawitacja na pokładach pojazdów kosmicznych? Przecież bez powszechnego ciążenia jest lżej, człowiek mniej się męczy, przenoszone rzeczy właściwie nic nie ważą, wykonywanie wielu zadań jest znacznie mniej obciążające fizycznie.

Okazuje się jednak, że ów wysiłek związany z nieustannym przezwyciężaniem siły ciążenia jest nam i naszemu organizmowi nad wyraz potrzebny. Bez grawitacji, co jest już od dawna dowiedzione, następuje u astronautów utrata tkanki kostnej i mięśniowej. Astronauci na ISS praktykują ćwiczenia, walcząc z osłabieniem mięśni i utratą kości, ale nadal tracą masę kostną w przestrzeni. Muszą wykonywać dwa do trzech godzin ćwiczeń dziennie, aby utrzymać masę mięśniową i sprawność układu krążenia. Nie tylko zresztą te bezpośrednio związane z obciążaniem ciała elementy są narażone w sytuacji braku ciążenia. Pojawiają się problemy związane z utrzymaniem równowagi, następuje odwodnienie organizmu. A to dopiero początek problemów.

Okazuje się, że osłabieniu ulega również układ odpornościowy. Jak wykazano w badaniach, niektóre komórki odpornościowe nie są w stanie wykonywać swojej pracy, a czerwone krwinki umierają. Powoduje powstawanie kamieni nerkowych i osłabia serce. Zespół naukowców z Rosji i Kanady przeanalizował w ostatnich latach wpływ mikrograwitacji na skład białek w próbkach krwi osiemnastu rosyjskich kosmonautów, którzy żyli na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej przez pół roku. Wyniki pokazały, że w nieważkości układ odpornościowy zachowuje się tak, jak w przypadku zakażenia ciała, ponieważ ciało ludzkie nie wie, co robić i próbuje włączyć wszystkie możliwe systemy obronne.

Szansa w sile odśrodkowej

A zatem wiemy już dobrze, że brak grawitacji to rzecz niedobra, wręcz groźna dla zdrowia. I co teraz? Nie tylko filmowcy, ale również badacze upatrują szansy w sile odśrodkowej. Będąc rodzajem siły bezwładności, imituje ona działanie siły ciążenia, działając efektywnie w kierunku przeciwnym niż środek inercjalnego układu odniesienia.

Możliwość zastosowania jest w konstrukcjach statków kosmicznych są już od lat badanie. W MIT np. były astronauta Laurence Young testował wirówkę, która przypomina nieco wizję z filmu "2001: Odyseja Kosmiczna". Ludzie leżą w niej na boku na platformie, popychając inercjalną konstrukcję, która się obraca.

Skoro wiemy, że siła odśrodkowa może, przynajmniej częściowo, zastąpić ciążenie, to dlaczego nie budujemy statków, które się obracają? Cóż, jak się okazuje, to wcale nie takie proste, bo po pierwsze takie statki musiałyby być znacznie większe niż te, które budujemy a każdy dodatkowy kilogram wynoszonej w przestrzeń kosmiczną masy to niebagatelne koszty.

Weźmy np. pod uwagę Międzynarodową Stację Kosmiczną jako punkt odniesienia do porównań i oszacowań. Ma ona rozmiary mniej więcej boiska piłkarskiego, ale przestrzenie mieszkalne stanowią tylko niewielki ułamek jej gabarytów.

Do imitacji grawitacji za pomocą siły odśrodkowej można podejść w tym przypadku w dwojaki sposób. Albo każdy element obracałby się oddzielnie, co tworzyłoby małe układy, ale wtedy, na co zwracają uwagę specjaliści mogłoby to wiązać się z nie zawsze przyjemnymi wrażeniami dla astronautów, którzy mogliby np. czuć inną siłę ciążenia w nogach niż w górnej części ciała. W wariancie na większą skalę obracałaby się cała dajmy na to ISS, która oczywiście musiałaby być inaczej skonfigurowana, raczej na kształt pierścienia (2). W tej chwili zbudowanie takiej konstrukcji oznaczałoby ogromne koszty i wydaje się nierealne.

2. Wizja orbitalnego pierścienia zapewniającego sztuczną grawitację

Są jednak inne pomysły. np. zespół naukowców na Uniwersytecie Colorado Boulder pracuje nad rozwiązaniem o nieco mniejszych ambicjach. Zamiast mierzyć w "odtwarzania grawitacji" uczeni skupiają się na walce z problemami zdrowotnymi związanymi z jej brakiem w przestrzeni kosmicznej.

Zgodnie z pomysłem badaczy z Boulder astronauci mogliby wpełzać do specjalnych pomieszczeń na kilka godzin dziennie, aby uzyskać dzienną dawkę grawitacji, co powinno rozwiązywać problemy zdrowotne. Poddawani testom kładą się na metalowej platformie, która wygląda jak wózek szpitalny (3). Jest to tzw. wirówka, która obraca się z niejednostajną prędkością. Prędkość kątowa generowana przez wirówkę popycha stopy mężczyzny w kierunku podstawy platformy, prawie tak, jakby stał pod własnym ciężarem.

3. Urządzenie testowane na Uniwersytecie Boulder

Niestety tego rodzaju ćwiczenia wiążą się nieuchronnie z mdłościami. Naukowcy postanowili zbadać, czy mdłości są faktycznie nieodłączną ceną związaną ze sztuczną grawitacją. Czy astronauci mogą tak wytrenować swoje ciała, aby były one gotowe na dodatkowe przeciążenia? Pod koniec dziesiątej sesji, w której brali udział ochotnicy, wszyscy badani obracali się ze średnią prędkością około siedemnastu obrotów na minutę, bez nieprzyjemnych konsekwencji, mdłości itp. To znaczne osiągnięcie.

Są alternatywne pomysły na grawitację na statku. Należy do nich np. kanadyjski projekt systemu typu Lower Body Negative Pressure (LBNP), który sam w sobie tworzy balast wokół talii człowieka, dając uczucie ciężaru w dolnej części ciała. Czy to jednak wystarczy, aby człowiek unikał nieprzyjemnych zdrowotnych konsekwencji lotu kosmicznego? Nie jest to niestety pewne.

Mirosław Usidus