La gravedad artificial es la creación de una fuerza de inercia que imita los efectos de una fuerza gravitacional , generalmente por rotación . [1] La gravedad artificial, o gravedad rotacional , es, por 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 un marco de referencia no giratorio), a diferencia de la fuerza experimentada en aceleración lineal , que según el principio de equivalencia es indistinguible de la gravedad. En un sentido más general, la "gravedad artificial" también puede referirse al efecto de la aceleración lineal, por ejemplo mediante un motor de cohete . [1]
La gravedad simulada rotacional se ha utilizado en simulaciones para ayudar a los astronautas a entrenar para condiciones extremas. [2] La gravedad rotacional simulada se ha propuesto como una solución en los vuelos espaciales tripulados a los efectos adversos para la salud causados por la ingravidez prolongada . Sin embargo, actualmente no existen aplicaciones prácticas de la gravedad artificial en el espacio ultraterrestre para los 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 ). [3] 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 provoque alteraciones en el oído interno que provoquen náuseas y desorientación. Los efectos adversos pueden resultar intolerables para los ocupantes. [4]
En el contexto de una estación espacial giratoria, es la fuerza radial proporcionada por el casco de la nave espacial la que actúa como fuerza centrípeta. Por tanto, la fuerza de "gravedad" que siente un objeto es la fuerza centrífuga que se percibe en el marco de referencia giratorio como apuntando "hacia abajo" hacia el casco.
Según la Tercera Ley de Newton , el valor de g pequeña (la aceleración "hacia abajo" percibida) es igual en magnitud y de dirección opuesta a la aceleración centrípeta. Fue probado con satélites como Bion 3 (1975) y Bion 4 (1977); Ambos tenían centrifugadoras 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.
La misión Gemini 11 intentó en 1966 producir gravedad artificial haciendo girar la cápsula alrededor del vehículo objetivo Agena al que estaba unida mediante una correa de 36 metros. Pudieron generar una pequeña cantidad de gravedad artificial, aproximadamente 0,00015 g , disparando sus propulsores laterales para hacer girar lentamente la nave combinada como un par de bolas en cámara lenta . [9] La fuerza resultante era demasiado pequeña para que cualquiera de los astronautas la sintiera, pero se observaron objetos moviéndose hacia el "piso" de la cápsula. [10]
Se ha sugerido la gravedad artificial como una solución a diversos riesgos para la salud asociados con los vuelos espaciales. [11] En 1964, el programa espacial soviético creía que un ser 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 ahora han durado hasta 437 días consecutivos, [13] y las misiones a bordo de la Estación Espacial Internacional generalmente duran 6 meses. Sin embargo, la cuestión de la seguridad humana en el espacio impulsó 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 con dos hombres y dos mujeres durante nueve días. En un ambiente sin gravedad, se concluyó que la respuesta de los glóbulos blancos y la masa muscular disminuía. Además, dentro de las primeras 24 horas que pasaron en un ambiente ingrávido, el volumen sanguíneo disminuyó en un 10%. [14] [3] [1] Los períodos prolongados de ingravidez pueden causar inflamación del cerebro y problemas de visión. [15] Al regresar a la Tierra, los efectos de la ingravidez prolongada continúan afectando el cuerpo humano a medida que los líquidos se acumulan de regreso a la parte inferior del cuerpo, el ritmo cardíaco aumenta, se produce una caída en la presión arterial y hay una tolerancia reducida al ejercicio . [14]
La gravedad artificial, por su capacidad para imitar el comportamiento de la gravedad en el cuerpo humano, se ha sugerido como una de las formas más amplias de combatir los efectos físicos inherentes a los entornos ingrávidos. Otras medidas que se han sugerido como tratamientos sintomáticos incluyen ejercicio, dieta y trajes Pingvin . Sin embargo, la crítica a esos métodos radica 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 ingravidez ni los efectos secundarios asociados. [1] Especialmente en un viaje moderno de seis meses a Marte , se sugiere la exposición a la gravedad artificial de forma continua o intermitente para evitar un debilitamiento extremo de los astronautas durante el viaje. [11]
Varias propuestas han incorporado la gravedad artificial en su diseño:
Algunas de las razones por las que la gravedad artificial sigue sin utilizarse hoy en día en los vuelos espaciales 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 lo expresaron John Page y Matthew Francis, cuanto más pequeña es una nave espacial (cuanto más corto es el radio de rotación), más rápida es la rotación que se requiere. Por 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 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 de 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 giratorio sin alterar la estabilidad de toda la órbita de la nave espacial. Por el momento, no existe un barco lo suficientemente grande como para cumplir con los requisitos de rotación, y los costos asociados con la construcción, el mantenimiento y el lanzamiento de dicha nave son elevados. [3]
En general, con el pequeño número de efectos negativos para la salud presentes en los vuelos espaciales actuales, normalmente más cortos, así como con el enorme coste de la investigación de una tecnología que todavía no es realmente necesaria, el desarrollo actual de la tecnología de gravedad artificial se ha visto necesariamente frenado. y esporádico. [1] [14]
A medida que aumenta la duración de los vuelos espaciales típicos, la necesidad de gravedad artificial para los pasajeros en vuelos espaciales tan prolongados seguramente también aumentará, y también aumentarán probablemente los conocimientos y recursos disponibles para crear dicha gravedad artificial. En resumen, probablemente sea sólo una cuestión de tiempo, cuánto tiempo pasará antes de que las condiciones sean adecuadas para completar el desarrollo de la tecnología de gravedad artificial, que casi con seguridad será necesaria en algún momento junto con la eventual e inevitable desarrollo de un aumento en la duración media de un vuelo espacial. [24]
Varias novelas, películas y series de ciencia ficción han presentado producción de gravedad artificial.
La aceleración lineal es otro método para generar gravedad artificial, utilizando el empuje de los motores de una nave espacial para crear la ilusión de estar bajo una atracción gravitacional. Una nave espacial bajo aceleración constante en línea recta tendría la apariencia de una atracción gravitacional en la dirección opuesta a la de la aceleración, ya que el empuje de los motores haría que la nave espacial se "empujara" hacia los objetos y personas dentro de ella. el vaso, creando así la sensación de peso. Esto se debe a la tercera ley de Newton : el peso que uno sentiría estando en una nave espacial que se acelera linealmente no sería una verdadera atracción gravitacional, sino simplemente la reacción de uno mismo empujando contra el casco de la nave mientras éste retrocede. De manera similar, los objetos que de otro modo flotarían libremente dentro de la nave espacial si no estuviera acelerando, "caerían" hacia los motores cuando ésta comenzara a acelerar, como consecuencia de la primera ley de Newton : el objeto flotante permanecería en reposo, mientras que la nave espacial acelerar hacia él y hacerle parecer al observador interior que el objeto estaba "cayendo".
Para emular la gravedad artificial en la Tierra, se pueden construir naves espaciales que utilicen la aceleración lineal de la gravedad de forma similar a un rascacielos, con sus motores como el "piso" inferior. Si la nave espacial acelerara a razón de 1 g (la atracción gravitacional de la Tierra), los individuos en su interior serían 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 funcionalmente podría crear la ilusión de un campo de gravedad uniforme y unidireccional en toda la nave espacial, sin la necesidad de grandes anillos giratorios, cuyos campos pueden no ser uniformes ni 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 acelerara a 1 g , 9,8 m/s 2 , durante la primera mitad del viaje y luego desacelerara durante la otra mitad, podría llegar a Marte en unos pocos días. [26] De manera similar, un viaje espacial hipotético usando 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, Próxima 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 retener aproximadamente el 55 por ciento de la masa del vehículo LEO al llegar a la órbita de Marte, proporcionando un gradiente de baja gravedad a la nave espacial durante todo el viaje. 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 gravitacional de la Tierra requieren cohetes de reacción química , que expulsan masa de reacción para lograr el empuje y, por lo tanto, la aceleración solo podría durar mientras la nave tenga combustible. . La embarcación también necesitaría estar acelerando constantemente y a una velocidad constante para mantener el efecto gravitacional y, por lo tanto, no tendría gravedad mientras estuviera estacionaria y podría experimentar oscilaciones significativas en las fuerzas g si la embarcación 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 objetivo. destino, lo que requiere que todo dentro de la embarcación experimente ingravidez y posiblemente esté asegurado durante la duración del giro.
Un sistema de propulsión con un impulso específico muy alto (es decir, buena eficiencia en el uso de la masa de reacción que debe transportarse y utilizarse para la propulsión durante 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 están previstos para su uso en el espacio a corto plazo son los propulsores de efecto Hall y los cohetes de magnetoplasma 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, pero a largo plazo, niveles de gravedad artificial en las naves espaciales . [ cita necesaria ]
En varias tramas de ciencia ficción, la aceleración se utiliza para producir gravedad artificial para naves espaciales interestelares , propulsadas por medios aún teóricos o hipotéticos .
Este efecto de la aceleración lineal se comprende bien y se utiliza habitualmente para la gestión de fluidos criogénicos de 0 g para disparos en el espacio posteriores al lanzamiento (posteriores) de cohetes de etapa superior . [28]
Las montañas rusas , especialmente las montañas rusas lanzadas o las que dependen de la propulsión electromagnética , pueden proporcionar una aceleración lineal "por gravedad", al igual que los vehículos de aceleración relativamente alta, como los autos deportivos . La aceleración lineal se puede utilizar para proporcionar tiempo en el aire en 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 (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 del avión de la NASA que vuela en trayectorias parabólicas. En resumen, proporciona un entorno casi ingrávido para entrenar astronautas , realizar investigaciones y filmar películas. La trayectoria parabólica crea una aceleración lineal vertical que coincide con la de la gravedad, dando cero gravedad durante un breve período de tiempo, generalmente de 20 a 30 segundos, seguido de aproximadamente 1,8 g durante un período similar. También se utiliza el sobrenombre de Cometa Vómito , en referencia al mareo que los pasajeros de los aviones suelen experimentar durante estas trayectorias parabólicas. Estos aviones de gravedad reducida son operados hoy en día por varias organizaciones en todo el mundo. [ cita necesaria ]
El Laboratorio de Flotabilidad Neutral (NBL) es una instalación de entrenamiento de astronautas en el Centro de Entrenamiento Sonny Carter en el Centro Espacial Johnson de la NASA en Houston, Texas . [31] La NBL es una gran piscina de agua cubierta, la más grande del mundo, [32] en la que los astronautas pueden realizar tareas EVA simuladas en preparación para misiones espaciales. La NBL contiene maquetas de tamaño real de la bahía de carga del transbordador espacial , las cargas útiles de vuelo y la Estación Espacial Internacional (ISS). [33]
El principio de flotabilidad neutra se utiliza para simular el entorno ingrávido del espacio. [31] Los astronautas vestidos son bajados 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 ningún momento de rotación alrededor de su centro de masa . [31] Los trajes usados en la NBL tienen una clasificación inferior a la de los trajes EMU totalmente aptos para vuelo , como los que se utilizan 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 y 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 del equilibrio en el oído interno todavía sienten la dirección de la gravedad de arriba a abajo. Además, el agua presenta una cantidad significativa de resistencia . [37] Generalmente, los efectos de arrastre se minimizan realizando tareas lentamente en el agua. Otra diferencia entre la simulación de flotabilidad neutra en una piscina y el EVA real durante los vuelos espaciales 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 giran ni aceleran. En la actualidad, no existe ninguna técnica confirmada como tal que pueda simular la gravedad distinta de la rotación o aceleración real. Ha habido muchas afirmaciones a lo largo de los años sobre un dispositivo de este tipo. Eugene Podkletnov , un ingeniero ruso, afirma desde principios de los años 1990 haber fabricado un dispositivo de este tipo consistente en un superconductor giratorio que produce un potente " campo gravitomagnético ", pero no ha habido ninguna verificación o incluso resultados negativos por parte 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 sólo producía 0,0001 g . [40] Este resultado no ha sido replicado.
Desarrollar técnicas para manipular fluidos en microgravedad, que normalmente caen en la categoría conocida como manipulación de propulsores sedimentados. La investigación de etapas superiores criogénicas que se remonta al Saturn S-IVB y al Centaur descubrió que proporcionar una ligera aceleración (tan sólo de 10
−4
a 10
−5
g
de aceleración) al tanque puede hacer que los propulsores asuman la configuración deseada, lo que permite muchas de las principales tareas de manipulación de fluidos criogénicos se realizarán de forma similar a las operaciones terrestres. La técnica de sedimentación más simple y madura es aplicar empuje a la nave espacial, obligando al líquido a sedimentarse contra un extremo del tanque.
Curiosamente, la instalación se inspiró en parte en investigaciones anteriores realizadas por el físico ruso Andrew Geim en las que hizo flotar una rana con un imán. El experimento le valió a Geim el Premio Ig Nobel de Física, un premio satírico por una investigación científica inusual. Es genial que un experimento peculiar que involucra hacer flotar una rana pueda conducir a algo parecido a una cámara antigravedad honesta.
Se dice que es el primero 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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