La gravedad artificial es la creación de una fuerza inercial que imita los efectos de una fuerza gravitatoria , generalmente por rotación . [1] La gravedad artificial, o gravedad rotacional , es por lo tanto la aparición de una fuerza centrífuga en un marco de referencia giratorio (la transmisión de la aceleración centrípeta a través de la fuerza normal en el marco de referencia no giratorio), en oposición a la fuerza experimentada en la aceleración lineal , que por el principio de equivalencia es indistinguible de la gravedad. En un sentido más general, "gravedad artificial" también puede referirse al efecto de la aceleración lineal, por ejemplo, por medio de un motor de cohete . [1]
La gravedad simulada rotacional se ha utilizado en simulaciones para ayudar a los astronautas a entrenarse para condiciones extremas. [2] La gravedad simulada rotacional se ha propuesto como una solución en los vuelos espaciales tripulados a los efectos adversos para la salud causados por la ingravidez prolongada . [3] Sin embargo, actualmente no existen aplicaciones prácticas en el espacio exterior de la gravedad artificial para humanos debido a las preocupaciones sobre el tamaño y el costo de una nave espacial necesaria para producir una fuerza centrípeta útil comparable a la intensidad del campo gravitacional en la Tierra ( g ). [4] Los científicos están preocupados por el efecto de un sistema de este tipo en el oído interno de los ocupantes. La preocupación es que el uso de la fuerza centrípeta para crear gravedad artificial causará perturbaciones en el oído interno que provoquen náuseas y desorientación. Los efectos adversos pueden resultar intolerables para los ocupantes. [5]
En el contexto de una estación espacial en rotación, la fuerza radial proporcionada por el casco de la nave espacial es la que actúa como fuerza centrípeta. Por lo tanto, la fuerza de "gravedad" que siente un objeto es la fuerza centrífuga percibida en el marco de referencia giratorio como apuntando "hacia abajo" hacia el casco.
Según la tercera ley de Newton , el valor de la pequeña g (la aceleración percibida "hacia abajo") es igual en magnitud y de dirección opuesta a la aceleración centrípeta. Se probó con satélites como Bion 3 (1975) y Bion 4 (1977); ambos tenían centrífugas a bordo para colocar algunos especímenes en un entorno de gravedad artificial.
Desde la perspectiva de las personas que rotan con el hábitat, la gravedad artificial por rotación se comporta de manera similar a la gravedad normal pero con las siguientes diferencias, que pueden mitigarse aumentando el radio de una estación espacial.
En 1966, la misión Gemini 11 intentó producir gravedad artificial al hacer girar la cápsula alrededor del vehículo objetivo Agena, al que estaba unida mediante un cable de 36 metros. Fueron capaces de generar una pequeña cantidad de gravedad artificial, aproximadamente 0,00015 g , al activar sus propulsores laterales para hacer girar lentamente la nave combinada como un par de bolas en cámara lenta . [10] La fuerza resultante fue demasiado pequeña para que la sintiera ninguno de los astronautas, pero se observaron objetos moviéndose hacia el "suelo" de la cápsula. [11]
La gravedad artificial se ha sugerido como una solución a varios riesgos para la salud asociados con los vuelos espaciales. [5] En 1964, el programa espacial soviético creía que un humano no podría sobrevivir más de 14 días en el espacio por temor a que el corazón y los vasos sanguíneos no pudieran adaptarse a las condiciones de ingravidez. [12] Finalmente se descubrió que este temor era infundado, ya que los vuelos espaciales han durado hasta 437 días consecutivos, [13] y las misiones a bordo de la Estación Espacial Internacional suelen durar 6 meses. Sin embargo, la cuestión de la seguridad humana en el espacio dio lugar a una investigación sobre los efectos físicos de la exposición prolongada a la ingravidez. En junio de 1991, un vuelo de Spacelab Life Sciences 1 realizó 18 experimentos en dos hombres y dos mujeres durante nueve días. En un entorno sin gravedad, se concluyó que la respuesta de los glóbulos blancos y la masa muscular disminuyeron. Además, dentro de las primeras 24 horas pasadas en un entorno de ingravidez, el volumen sanguíneo disminuyó en un 10%. [14] [4] [1] Los períodos prolongados de ingravidez pueden causar hinchazón cerebral y problemas de visión. [15] Al regresar a la Tierra, los efectos de la ingravidez prolongada continúan afectando al cuerpo humano: los líquidos se acumulan en la parte inferior del cuerpo, aumenta la frecuencia cardíaca , se produce una caída de la presión arterial y hay una menor tolerancia al ejercicio . [14]
La gravedad artificial, por su capacidad de imitar el comportamiento de la gravedad en el cuerpo humano, se ha sugerido como una de las formas más abarcadoras de combatir los efectos físicos inherentes a los entornos sin gravedad. Otras medidas que se han sugerido como tratamientos sintomáticos incluyen el ejercicio, la dieta y los trajes Pingvin . Sin embargo, las críticas a esos métodos radican en el hecho de que no eliminan por completo los problemas de salud y requieren una variedad de soluciones para abordar todos los problemas. La gravedad artificial, por el contrario, eliminaría la ingravidez inherente a los viajes espaciales. Al implementar la gravedad artificial, los viajeros espaciales nunca tendrían que experimentar la ingravidez o los efectos secundarios asociados. [1] Especialmente en un viaje moderno de seis meses a Marte , se sugiere la exposición a la gravedad artificial en forma continua o intermitente para prevenir el debilitamiento extremo de los astronautas durante el viaje. [5]
Varias propuestas han incorporado la gravedad artificial en su diseño:
Algunas de las razones por las que la gravedad artificial sigue sin utilizarse en los vuelos espaciales hoy en día se remontan a los problemas inherentes a su implementación . Uno de los métodos realistas para crear gravedad artificial es el efecto centrífugo causado por la fuerza centrípeta del suelo de una estructura giratoria que empuja hacia arriba a la persona. En ese modelo, sin embargo, surgen problemas con el tamaño de la nave espacial. Como expresaron John Page y Matthew Francis, cuanto más pequeña sea la nave espacial (cuanto más corto sea el radio de rotación), más rápida será la rotación que se requiere. Por lo tanto, para simular la gravedad, sería mejor utilizar una nave espacial más grande que gire lentamente.
Los requisitos de tamaño para la rotación se deben a las diferentes fuerzas que actúan sobre las partes del cuerpo a diferentes distancias del eje de rotación. Si las partes del cuerpo más cercanas al eje de rotación experimentan una fuerza significativamente diferente a las partes más alejadas del eje, esto podría tener efectos adversos. Además, quedan dudas sobre cuál es la mejor manera de establecer inicialmente el movimiento de rotación sin alterar la estabilidad de la órbita de toda la nave espacial. En este momento, no existe una nave lo suficientemente masiva para cumplir con los requisitos de rotación, y los costos asociados con la construcción, el mantenimiento y el lanzamiento de una nave de este tipo son elevados. [4]
En general, debido al reducido número de efectos negativos para la salud que presentan los actuales vuelos espaciales, típicamente más cortos, así como al altísimo coste de la investigación de una tecnología que todavía no es realmente necesaria, el desarrollo actual de la tecnología de gravedad artificial ha sido necesariamente atrofiado y esporádico. [1] [14]
A medida que aumente la duración de los vuelos espaciales habituales, también aumentará con toda seguridad la necesidad de gravedad artificial para los pasajeros en vuelos espaciales tan largos, y con ello también aumentarán, probablemente, los conocimientos y los recursos disponibles para crear dicha gravedad artificial. En resumen, probablemente sólo sea una cuestión de tiempo el tiempo que pueda pasar hasta que se den las condiciones adecuadas para completar el desarrollo de la tecnología de gravedad artificial, que casi con toda seguridad será necesaria en algún momento junto con el desarrollo eventual e inevitable de un aumento en la duración media de un vuelo espacial. [24]
Varias novelas, películas y series de ciencia ficción han presentado la producción de gravedad artificial.
La aceleración lineal es otro método de generar gravedad artificial, utilizando el empuje de los motores de una nave espacial para crear la ilusión de estar bajo una atracción gravitatoria. Una nave espacial bajo aceleración constante en línea recta tendría la apariencia de una atracción gravitatoria en la dirección opuesta a la de la aceleración, ya que el empuje de los motores haría que la nave espacial se "empujara" hacia arriba contra los objetos y personas dentro de la nave, creando así la sensación de peso. Esto se debe a la tercera ley de Newton : el peso que uno sentiría de pie en una nave espacial que acelera linealmente no sería una verdadera atracción gravitatoria, sino simplemente la reacción de uno mismo empujando contra el casco de la nave cuando empuja hacia atrás. De manera similar, los objetos que de otro modo flotarían libremente dentro de la nave espacial si esta no estuviera acelerando "caerían" hacia los motores cuando comenzara a acelerar, como consecuencia de la primera ley de Newton : el objeto flotante permanecería en reposo, mientras que la nave espacial aceleraría hacia él, y a un observador que estuviera dentro le parecería que el objeto está "cayendo".
Para emular la gravedad artificial en la Tierra, se podrían construir naves espaciales que utilicen la gravedad de aceleración lineal de forma similar a un rascacielos, con sus motores como el "piso" inferior. Si la nave espacial acelerara a una velocidad de 1 g (la atracción gravitatoria de la Tierra), los individuos en su interior se verían presionados contra el casco con la misma fuerza y, por lo tanto, podrían caminar y comportarse como si estuvieran en la Tierra.
Esta forma de gravedad artificial es deseable porque podría crear funcionalmente la ilusión de un campo de gravedad que es uniforme y unidireccional en toda una nave espacial, sin la necesidad de grandes anillos giratorios, cuyos campos pueden no ser uniformes, no unidireccionales con respecto a la nave espacial, y requieren una rotación constante. Esto también tendría la ventaja de una velocidad relativamente alta: una nave espacial que acelera a 1 g , 9,8 m/s2 , durante la primera mitad del viaje, y luego desacelera durante la otra mitad, podría llegar a Marte en unos pocos días. [26] De manera similar, un viaje espacial hipotético utilizando una aceleración constante de 1 g durante un año alcanzaría velocidades relativistas y permitiría un viaje de ida y vuelta a la estrella más cercana, Proxima Centauri . Como tal, se ha propuesto una aceleración lineal de bajo impulso pero de largo plazo para varias misiones interplanetarias. Por ejemplo, incluso cargas útiles pesadas (100 toneladas ) a Marte podrían transportarse a Marte en 27 meses y conservar aproximadamente el 55 por ciento de la masa del vehículo LEO al llegar a una órbita de Marte, proporcionando un gradiente de baja gravedad a la nave espacial durante todo el viaje. [27]
Sin embargo, esta forma de gravedad no está exenta de desafíos. En la actualidad, los únicos motores prácticos que podrían propulsar una nave lo suficientemente rápido como para alcanzar velocidades comparables a la atracción gravitatoria de la Tierra requieren cohetes de reacción química , que expulsan masa de reacción para lograr empuje, y por lo tanto la aceleración solo podría durar mientras una nave tuviera combustible. La nave también necesitaría estar acelerando constantemente y a una velocidad constante para mantener el efecto gravitatorio, y por lo tanto no tendría gravedad mientras estuviera estacionaria, y podría experimentar cambios significativos en las fuerzas g si la nave acelerara por encima o por debajo de 1 g . Además, para viajes de punto a punto, como los tránsitos Tierra-Marte, las naves necesitarían acelerar constantemente durante la mitad del viaje, apagar sus motores, realizar un giro de 180°, reactivar sus motores y luego comenzar a desacelerar hacia el destino objetivo, lo que requiere que todo dentro de la nave experimente ingravidez y posiblemente esté asegurado durante la duración del giro.
Un sistema de propulsión con un impulso específico muy alto (es decir, una buena eficiencia en el uso de la masa de reacción que debe transportarse y usarse para la propulsión en el viaje) podría acelerar más lentamente, produciendo niveles útiles de gravedad artificial durante largos períodos de tiempo. Una variedad de sistemas de propulsión eléctrica proporcionan ejemplos. Dos ejemplos de esta propulsión de larga duración, bajo empuje y alto impulso que se han utilizado prácticamente en naves espaciales o que se planea utilizar en el espacio a corto plazo son los propulsores de efecto Hall y los cohetes magnetoplasmáticos de impulso específico variable (VASIMR). Ambos proporcionan un impulso específico muy alto pero un empuje relativamente bajo, en comparación con los cohetes de reacción química más típicos. Por lo tanto, son ideales para disparos de larga duración que proporcionarían cantidades limitadas de niveles de gravedad artificial de mili- g , pero a largo plazo, en naves espaciales. [ cita requerida ]
En varias tramas de ciencia ficción, se utiliza la aceleración para producir gravedad artificial para naves espaciales interestelares , impulsadas por medios todavía teóricos o hipotéticos .
Este efecto de aceleración lineal es bien conocido y se utiliza rutinariamente para la gestión de fluidos criogénicos de 0 g para disparos en el espacio posteriores al lanzamiento de cohetes de etapa superior . [28]
Las montañas rusas , especialmente las que se lanzan desde el aire o las que se basan en propulsión electromagnética , pueden proporcionar una aceleración lineal (gravedad), al igual que los vehículos con una aceleración relativamente alta, como los coches deportivos . La aceleración lineal se puede utilizar para proporcionar tiempo en el aire en las montañas rusas y otras atracciones emocionantes.
En enero de 2022, el South China Morning Post informó que China había construido una pequeña instalación de investigación (de 60 centímetros (24 pulgadas ) de diámetro ) para simular la baja gravedad lunar con la ayuda de imanes . [29] [30] Según se informa, la instalación se inspiró en parte en el trabajo de Andre Geim (quien más tarde compartió el Premio Nobel de Física de 2010 por su investigación sobre el grafeno ) y Michael Berry , quienes compartieron el Premio Ig Nobel de Física en 2000 por la levitación magnética de una rana. [29] [30]
Weightless Wonder es el apodo de la aeronave de la NASA que vuela en trayectorias parabólicas. En pocas palabras, proporciona un entorno casi sin gravedad para entrenar a los astronautas , realizar investigaciones y filmar películas. La trayectoria parabólica crea una aceleración lineal vertical que coincide con la de la gravedad, lo que da una gravedad cero durante un breve período, generalmente de 20 a 30 segundos, seguida de aproximadamente 1,8 g durante un período similar. También se utiliza el apodo de Vomit Comet , en referencia al mareo que los pasajeros de los aviones suelen experimentar durante estas trayectorias parabólicas. En la actualidad, varias organizaciones en todo el mundo operan este tipo de aeronaves de gravedad reducida . [ cita requerida ]
El Laboratorio de Flotabilidad Neutral (NBL, por sus siglas en inglés) es un centro de entrenamiento de astronautas en el Centro de Entrenamiento Sonny Carter en el Centro Espacial Johnson de la NASA en Houston, Texas . [31] El NBL es una gran piscina de agua cubierta, la más grande del mundo, [32] en la que los astronautas pueden realizar tareas simuladas de EVA en preparación para misiones espaciales. El NBL contiene maquetas de tamaño real de la bahía de carga del transbordador espacial , cargas útiles de vuelo y la Estación Espacial Internacional (ISS, por sus siglas en inglés). [33]
El principio de flotabilidad neutra se utiliza para simular el entorno sin gravedad del espacio. [31] Los astronautas con traje se bajan a la piscina utilizando una grúa aérea y su peso es ajustado por buzos de apoyo para que no experimenten ninguna fuerza de flotación ni momento de rotación sobre su centro de masa . [31] Los trajes que se usan en el NBL están clasificados por debajo de los trajes EMU totalmente calificados para vuelo como los que se usan en el transbordador espacial y la Estación Espacial Internacional.
El tanque NBL tiene 202 pies (62 m) de largo, 102 pies (31 m) de ancho y 40 pies 6 pulgadas (12,34 m) de profundidad, y contiene 6,2 millones de galones (23,5 millones de litros) de agua. [33] [34] Los buzos respiran nitrox mientras trabajan en el tanque. [35] [36]
La flotabilidad neutra en una piscina no es ingravidez , ya que los órganos de equilibrio en el oído interno aún detectan la dirección arriba-abajo de la gravedad. Además, existe una cantidad significativa de resistencia al avance presentada por el agua. [37] Generalmente, los efectos de resistencia al avance se minimizan al realizar las tareas lentamente en el agua. Otra diferencia entre la simulación de flotabilidad neutra en una piscina y la EVA real durante el vuelo espacial es que la temperatura de la piscina y las condiciones de iluminación se mantienen constantes.
En la ciencia ficción, la gravedad artificial (o cancelación de la gravedad) o "paragravedad" [38] [39] a veces está presente en naves espaciales que no están rotando ni acelerando. En la actualidad, no hay ninguna técnica confirmada como tal que pueda simular la gravedad más allá de la rotación o aceleración reales. Ha habido muchas afirmaciones a lo largo de los años de un dispositivo de este tipo. Eugene Podkletnov , un ingeniero ruso, ha afirmado desde principios de la década de 1990 haber creado un dispositivo de este tipo que consiste en un superconductor giratorio que produce un poderoso " campo gravitomagnético ", pero no ha habido verificación o incluso resultados negativos de terceros. En 2006, un grupo de investigación financiado por la ESA afirmó haber creado un dispositivo similar que demostró resultados positivos para la producción de gravitomagnetismo, aunque produjo solo 0,0001 g . [40] Este resultado no ha sido replicado.
Desarrollo de técnicas para manipular fluidos en microgravedad, que normalmente caen en la categoría conocida como manipulación de propulsor asentado. La investigación de las etapas superiores criogénicas que se remonta al Saturn S-IVB y al Centaur descubrió que proporcionar una ligera aceleración (tan poco como 10
−4
a 10
−5
g
de aceleración) al tanque puede hacer que los propulsores asuman una configuración deseada, lo que permite que muchas de las principales tareas de manipulación de fluidos criogénicos se realicen de manera similar a las operaciones terrestres. La técnica de asentamiento más simple y madura es aplicar empuje a la nave espacial, lo que obliga al líquido a asentarse contra un extremo del tanque.
Curiosamente, la instalación se inspiró en parte en una investigación anterior realizada por el físico ruso Andrew Geim en la que hizo flotar una rana con un imán. El experimento le valió a Geim el Premio Ig Nobel de Física, un premio satírico para una investigación científica inusual. Es genial que un experimento peculiar que involucra hacer flotar una rana pueda conducir a algo que se acerque a una auténtica cámara antigravedad.
Se dice que es la primera de su tipo y podría desempeñar un papel clave en las futuras misiones lunares del país. El campo magnético sostenía el paisaje y se inspiró en experimentos para hacer levitar una rana.
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