Привет от Циолковского: как искусственная гравитация осваивает космос
Журналист Лайфа Александр Березин объясняет, почему обычно скупой на космические новинки Роскосмос первым в мире организует искусственную гравитацию на орбите и что он рассчитывает от неё получить.
Сколько гравитации человеку нужно?
Наш вид на удивление хорошо переносит самый безумный набор условий. Мы выживаем при давлении в 70 атмосфер, после минуты в глубоком вакууме или полугода космической радиации вне магнитосферы Земли и всё это без видимого ущерба для здоровья. Однако у человека в космосе есть противник куда более страшный, чем космическая радиация, — безделье. А точнее, отсутствие приличной физической нагрузки.
Каждый из нас знает, что посредственный бегун загонит лучшую в мире лошадь. Но из-за того что современная цивилизация не нагружает нас физически, большинство жителей стран типа России не могут загнать не то что лошадь, но и обычную собаку. То же самое, но в гораздо больших масштабах случается с человеком, долго живущим в невесомости. Формально на МКС гравитация всего на 11 процентов слабее земной, однако, поскольку космонавты там постоянно "падают вперёд" со скоростью полёта станции, почувствовать её невозможно.
Это ведёт к огромному количеству неприятных последствий. Мышцы с неполной загрузки цивилизованного человека переходят на вообще нулевую. Они атрофируются, из-за этого кислорода организмом потребляется куда меньше нормы. Костный мозг, вырабатывающий гемоглобин для переноса кислорода в крови, резко "снижает план". Кальций в невесомости усиленно вымывается из организма, что негативно влияет на прочность костей, способствуют этому и нарушения фосфорного обмена в костях. Ну а результат — космическая остеопения, означающая потерю одного процента массы костей за месяц невесомости.
Предположительно после потери 20 процентов человеческий скелет станет малопригоден к работе в земных условиях. Наконец, пониженная гравитация со временем ведёт к деградации зрения — его правильная работа ведь тоже зависит от получения регулярных нагрузок, которых в космосе мало. Можно поставить на МКС беговую дорожку для ног, но глазное яблоко на неё не загонишь. Много ли толку будет от потенциального покорителя Марса, если он не будет видеть, его скелет не вынесет нагрузок, а мышцы не позволят вылезти из космического корабля?
Запугиваете?
Нам скажут: вы нагнетаете. В самом деле, полёт к Марсу даже на химических двигателях продлится всего полгода. Ещё по станции "Мир" хорошо известно, что и после года в космосе космонавт, работающий с тренажером, вполне может сам дойти до автобуса несмотря на 1 g (силы тяжести, действующей на единицу массы). На том же Марсе всего 0,38 g, о чём разговор? Да, путешествие на Красную планету — это минимум год при пониженной гравитации на ней, и ещё полгода на возвращение. Но и при этом "дефицита тяжести" люди испытают ничуть не больше, чем Валерий Поляков, который после своих рекордно долгих полётов успешно работал на Земле, не утратив ни зрения, ни подвижности.
И всё же повод для беспокойства есть. Марсом Солнечная система не кончается. Чтобы слетать к Церере с её подповерхностным океаном (где не исключено наличие жизни), топлива надо даже меньше, чем для полета к Луне. Но вот по времени туда лететь куда дальше, чем к Марсу. Так что, пока Роскосмос не сделает полномасштабный ядерный буксир, освоение действительно далёких от Земли небесных тел под большим вопросом.
Звезда КЭЦ
Константин Циолковский задумался над эти вопросом ещё 113 лет назад и уже тогда пришёл к выводу, что на будущих космических кораблях нужна искусственная гравитация. Самым простым способом её создания он полагал вращающийся космический корабль, возможно, округлой формы. За счёт вращения люди в нём будут избавлены от невесомости. Известный роман советского фантаста Александра Беляева описывал целый орбитальный городок, созданный по такой схеме ("Звезда КЭЦ", по инициалам Циолковского).
Такой корабль Королёв начал проектировать для Луны и Марса ещё в 1963 году. Чтобы уменьшить его размеры, он предложил использовать противовес — систему связанных между собой тел, вращающихся в космосе. Для орбитального корабля противовесом должна была стать пустая последняя ступень ракеты-носителя, которую сегодня просто выбрасывают. Однако из-за известного отказа советского руководства от полётов за пределы земной орбиты всему этому не суждено было сбыться.
Позднее в СССР было установлено, что при скорости вращения помещения в шесть оборотов в минуту побочные эффекты вращения (сила Кориолиса) уже не будут чувствоваться. Однако при такой скорости вращения "гравитационный корабль" должен иметь размеры в десятки метров. Понятно, что пока мы летаем на одноразовых ракетах, такой крупный объект всегда будет слишком дорог для Роскосмоса. Есть ли более дешёвое решение?
Малые гравитационные формы
Ещё в XVIII веке дед Чарльза Дарвина обнаружил, что, посадив человека на аналог круглых качелей и раскручивая их, можно добиться скорости, при которой он почувствует приличное ускорение. В 1933 году Германия — научно-технический лидер тогдашнего мира — создала первую центрифугу для изучения влияния искусственной гравитации на человека. При размере всего в 2,7 метра она могла дать до 15 g. Если нам нужна в пятнадцать раз меньшая сила тяжести, центрифугу можно сделать такой, как у Института медико-биологических проблем, чтобы её вращение не было утомительно быстрым.
Как ни странно, такие устройства были бы полезны не только космонавтам. Тело человека рассчитано на огромную мобильность: его предки пробегали десятки километров в день, а письменные источники фиксируют и случаи с сотнями километров в сутки. Заставить цивилизованных потомков заниматься спортом нереально, поэтому у нас вечные проблемы с сосудами ног, да и их переломы заживают медленнее, чем могут. Пребывание в условиях повышенной гравитации полезно и при лечении сосудов нижних конечностей, и при ускорении регенерации костных тканей после переломов. Исследуется и эффективность центрифуг при лечении гипертонической болезни. Таким образом, перед нами типичный случай, когда космические технологии вполне могут принести большую пользу и на Земле.
В компактном варианте, показанном выше, центрифугу малого радиуса можно использовать не только для периодических тренировок в "тренажёрном зале" орбитальной станции, но и для сна. Вам кажется, что на вращающейся платформе вряд ли уснёшь? Вовсе нет: тот же дед Дарвина успешно использовал её, чтобы вызвать сон у лиц с сомнологическими расстройствами. В случае, если космонавты будут проводить там по восемь часов в сутки, о "гравитационных" проблемах на космических кораблях можно забыть как минимум до эпохи межзвёздных перелётов.
Конечно, слишком маленькой центрифугу в космосе лучше не делать, иначе сила тяжести на уровне головы будет существенно ниже, чем на уровне ног. Только эксперименты помогут выяснить, правильные ли размеры для неё подобрали в Роскосмосе, а значит, эти эксперименты на орбите просто неизбежны. Пока Россия здесь делает только первые шаги — даже двигатель для центрифуги на видео выше пришлось покупать в Австрии, поскольку в нашей стране таких пока не делают. И тем не менее весь этот проект вполне реален.
Более чем десятилетие назад NASA задумало создать на МКС свой спецмодуль для центрифуги, однако из-за использования Агентством для сборки МКС безумно дорогих шаттлов проект "не взлетел" по финансовым ограничениям (хотя модуль для него уже был создан). И вот теперь, как ни странно, Роскосмос может стать первой в мире организацией, которая вытащит аппарат "искусственной гравитации" в космос и опробует его на людях. Для снижения затрат на доставку на орбиту спецмодуля для размещения центрифуги, его сделают надувным (точнее, газоразвертываемым). Тогда на "завоз" всех нужных узлов уйдёт не так уж много рейсов.
Что это обещает в ближайшем будущем? Пока не так много: первые полёты к Марсу будут слишком ограничены по массе полезной нагрузки. Даже весьма нужная центрифуга на корабль вряд ли поместится. Гораздо лучше с полезной нагрузкой в варианте ядерного буксира. Но тот будет лететь к Марсу так недолго, что смысл создания там "гравиубежища" неясен. И всё же, как мы отмечали выше, четвёртой планетой Солнечная система не заканчивается, так что за центрифугами короткого радиуса, скорее всего, будущее пилотируемой космонавтики.
Материалы по теме:
В большой космос по малой нужде
