2003-05-31 PROBLEM OCH LÖSNINGAR RUNT TYNGDLÖSHET av Gabriel Jonsson Figur 1 Möjlig framtida marsraket enligt NASA Uppsats inom kursen Astronomi B, 5p Institutionen för fysik, Umeå Universitet Lärare: Patrik Norqvist
Inledning Vid bland annat interplanetära resor blir långa perioder i tyngdlöshet oundvikliga. Människokroppen har stora problem att återanpassa sig till hög gravitation efter en tid i tyngdlöshet. Den enda tillämpbara lösningen på dessa problem idag är att låta rymdfarkosten rotera, vilket ger tröghetskrafter på passageraren som blir väldigt lika krafterna från jordens gravitation. Teoretisk forskning på detta område har funnits ända sedan Newtons tid. Det är dock först de senaste åren man börjat satsa resurser på experimentella tester. Varför uppkommer tyngdlöshet? Tyngdlöshet uppstår när man befinner sig i fritt fall, eller färdas i rymden, långt från himlakroppar, med konstant hastighet. Att man känner sig tyngdlös i en satellit i omloppsbana runt jorden beror inte på att jorden är långt bort utan på att man hela tiden faller. Det krävs ett tryck från marken man står på för att man ska känna gravitationen. En resa till Mars tar flera månader, och man accelererar endast en kort stund i början och slutet av resan. Övrig tid befinner man sig i en elliptisk bana runt solen i praktiskt taget tyngdlöshet. I senare rubriker kommer vi att se vilka problem detta för med sig. Vad är problemet med tyngdlöshet? Nedan listas några negativa medicinska effekter tyngdlöshet har på människan. I många fall märker man av problemen först när man återvänder till jordens högre gravitation. [1] Illamående några dagar i början innan man vant sig Blod samlas i kroppsdelar där det normalt inte finns mycket blod, tex huvudet. Detta eftersom blodomloppet är anpassat till en gravitation som för blodet nedåt. Mycket blod i huvudet lurar hjärnan att man har vätskeöverskott. Kroppen utsöndrar sedan vätska vilket kan leda till uttorkning. Muskler förtvinar och ben urkalkas. Muskler kan tränas upp igen men urkalkningen är irreversibel. Man blir alltså benskör för livet. Balanssinnet och öga/hand-koordination försämras. Ibland blir besvären kroniska. Det finns dock astronauter som levt i över ett år i tyngdlöshet och sedan klarat att något så när återanpassa sig till liv på jorden. Detta har dock krävt timmar av styrketräning dagligen under rymdresan. Ett annat problem gäller kolonisering av tex. Mars, som har betydligt lägre gravitation än Jorden. En vuxen människa kan nog bo på mars en tid och sedan återanpassa sig till jorden, men ett barn som växt upp på Mars klarar sannolikt aldrig större gravitation. Kanske kan kroppen inte växa upp överhuvudtaget under sådana gravitationsförhållanden. Det är tydligt att vi behöver något sätt att simulera gravitation, för att interplanetära rymdresor och kommersiell rymdturism ska bli framgångsrikt. Simulerad gravitation via rotation Teorin kommer huvudsakligen från [1]. Den allmänna relativitetsteorin säger att lokalt finns ingen skillnad mellan effekterna av gravitation och acceleration. Vissa skillnader uppstår dock när föremål rör sig i ett referenssystem. Om man släpper en boll i en raket som accelereras framåt faller inte bollen som det skulle göra på jorden, relativt den som släpper bollen. Ett rymdskepp kan även rotera för att åstadkomma acceleration. I detta fall kommer bollen att
falla på ytterligare ett annat sätt. Vi ska dock nedan se vilka faktorer som avgör hur saker faller, och hur man åstadkommer en acceleration som upplevs som äkta gravitation. Att accelerera hela vägen till en annan planet för att åstadkomma acceleration skulle kräva orimligt mycket bränsle. Att sätta rymdskeppet i rotation är däremot en engångskostnad. En rymdfarkost skulle kunna se ut som i Figur 2. motvikt Masscentrum Radie R Vinkelhastighet ω Passagerarutrymme Figur 2 - skiss på en roterande rymdfarkost Antag R och ω enligt bilden. Låt v 1 vara passagerarens hastighet relativt passagerarutrymmet. Låt ω 1 vara passagerarens rotationshastighet relativt passagerarutrymmet. Då beskrivs alla accelerationer som passageraren känner av i Tabell 1. Vad det handlar om är tröghetskrafter som uppstår i accelererade referenssystem. Dessa är alltså inte krafter i fysisk benämning men kallas ändå krafter här. Tabell 1 Acclerationer som passageraren känner av i ett roterande rymdskepp. Namn Beteckning Typ Storlek När man känner av den Centripitalkft a cent acceleration ω 2 R alltid, utom i masscentrum Corrioloskraft a corr acceleration ω v 1 vid rörelse (gång eller klättring) Cross-Coupling a cross-coupled vinkelacceleration ω ω 1 vid rotation (huvudvridning) Den acceleration man vill åt är a cent eftersom det är den som upplevs som normal gravitation. a cent bör vara lika med eller strax under 9.82ms -2. a cent kan ökas genom att öka vinkelhastigheten eller radien. Vilken som är lämplig att öka kommer att diskuteras nedan. a corr och a cross-coupled ställer dock till problem. Båda ger en acceleration som balanssinnet känner av, men som inte ögat kan registrera. Detta eftersom ögat endast ser rörelse och acceleration relativt passagerarutrymmet när man är inuti det. När ögat och balanssinnet registrerar olika saker blir man illamående. Vi ser att de två störande accelerationernas magnitud är proportionell mot vinkelhastigheten men ej mot radien. Ett annat problem är om kraftgradienten blir för stor vilket gör att man upplever en större gravitation i fötterna än vid huvudet. Detta bör dock i praktiken inte vara något bekymmer eftersom en radie på endast 20m räcker för att inte ge några besvär.
Ur bekvämlighetssynpunkt vore det optimalt med mycket stor radie och liten vinkelacceleration. Med tillräcklig stor radie kan man faktiskt komma godtyckligt nära jordlik tyngdacceleration. Å andra sidan innebär stor radie en stor kostnad medan vinkelhastighet är billig att åstadkomma. Vi har alltså ett optimeringsproblem där pris och bekvämlighet kompromissas. I Figur 3 ses en plott med vinkelhastighet på x-axeln och radie på y-axeln. I figuren syns den så kallade comfort zone vilket är miljön där människan anses kunna arbeta och resa. Zonen är dock ej symptomfri. För punkt 1 faller föremålet mycket likt ett föremål på jorden. Earth gravity Figur 3 Comfort zone samt fallande respektive kastat objekt, i en roterande rymdfarkost Experiment har visat att vid 0.1 varv/minut (kräver 10km radie för g=9.82ms -2 ) märker man inte av Corriolis-kraften eller Cross-coupling-effekten. Vid 1 varv/minut (kräver 1km radie för g=9.82ms -2 ) känner man av effekterna men man får normalt inga illamåendesymptom. 5 varv/minut (kräver endast 30m radie för g=9.82ms -2 ) kan ses som en ungefärlig övre gräns. I högre vinkelhastigheter klarar nästan ingen att röra sig utan att bli illamående.
Andra alternativ att simulera gravitation Just nu ser man inga bra alternativ till rotation, men här listas förslag på tänkbara alternativ. magnetskor Nedan pekas några uppenbara nackdelar med magnetskor ut. Det känns som man har all sin massa i fötterna. Det blir jobbigt att gå. Ändå hjälper det inte mot de flesta av de medicinska problemen. Det påverkar bara kroppen. Aktiviteter som att äta och duscha blir inte lättare. Ett enklare alternativ till magnetskor skulle kunna vara kardborreskor. Jag har inte hittat några vetenskapliga artiklar om magnetskor eller liknande. gravitationsgeneretorer och sköldar Kanske någon gång i framtiden med en lyckad unifieringsteori och kunskap om gravitoner kan vi bygga linser som fokuserar eller sprider gravitationsfältet. Detta skulle inte bara lösa problemen som nämnts tidigare, utan skulle också kunna ge möjlighet till mycket snabb acceleration av rymdskepp utan att besättningen skadas av stora G-krafter. Att vi skulle lyckas med detta förefaller dock inte speciellt troligt. Aktuell forskning I en artikel från 2001 [3] skrivs att man planerar att skicka upp en obemannad satellit som i rymden kommer att vecklas ut till en längd av 2km. Syftet med denna är att testa utveckligsmekanismär för att bedöma säkerhet. Utvecklingsmekanismen för denna kan liknas vid en rulle på ett kastspö. Ett annat test satelliten ska göra är hur man lossar ena änden på så sätt att rörelsemängdsmomentet omvandlas till användbar rörelseenergi. Websidan [4] nämner experiment med råttor. Man har sett att råttor som skickas upp i rymden i en roterande kapsel mår bättre vid återkomsten än råttor som varit i tyngdlöshet. På NASA:s hemsida [3] beskrivs exempelvis experiment med människor som roteras, för att ta reda på mer om hur människokroppen påverkas. Denna forskning är gjord 2003. Slutsatser Det är uppenbart att simulerad gravitation är nödvändig vid långa vistelser i rymden. Det ser ut som om forskningen går framåt och att användbara system med roterande farkoster kommer att finnas inte allt för långt in i framtiden. Andra lösningar än roterande system verkar inte vara på väg. Alla sökningar på magnetiska skor har lett till Sciencefiction-websidor och liknande. Min slutsats är att ingen eller nästan ingen forskning bedrivs inom detta område. Referenser 1) T Hall, 20 March 1997, "Artificial Gravity and the Architecture of Orbital Habitats", Proceedings of 1st International Symposium on Space Tourism, Daimler-Chrysler Aerospace GmbH. http://www.spacefuture.com/archive/artificial_gravity_and_the_architecture_of_orbita l_habitats.shtml 2) J.H Hoffman m.fl., 2001, "Design of an artificial gravity generating tethered satellite system", AIP Conference Proceedings no.552 3) Artikellista, NASA, http://spaceresearch.nasa.gov/general_info/art.html, 2003-05-19 4) http://library.thinkquest.org/c003763/index.php?page=adapt06