Warum wird auf der Raumstation keine Zentrifuge für Astronauten verwendet?

Die kurze Antwort ist, dass es viel Geld kosten würde.

Um eine Kraft von 1 G zu erhalten, benötigen Sie entweder etwas wirklich Großes oder sehr schnelles Rotieren. Das Referenzdesign für die Weltraumkolonien, an denen ich arbeite, sieht beispielsweise eine Struktur mit einem Radius von 900 Metern vor, die sich einmal pro Minute dreht. Für etwas von der Größe der ISS müsste es viel schneller rotieren. (Ich werde die tatsächlichen Zahlen in Kürze erfahren, wenn ich nicht gerade in der Mitte eines anderen Projekts bin.)

Zusätzlich zum Rotationsgeschwindigkeitsproblem müssen Sie auch berücksichtigen, dass die Struktur viel Masse haben würde, um stark genug zu sein, um all das (Zentrifugal-) Gewicht zu tragen - und je mehr Masse Sie in die Umlaufbahn bringen, desto mehr es kostet.

Da Sie wahrscheinlich nicht möchten, dass sich die gesamte ISS so schnell dreht (um die Masse - und die Kosten - niedrig zu halten), müssten Sie außerdem einen Satz Lager zwischen dem rotierenden und dem nicht rotierenden haben Teile der Station, vorzugsweise eine, die groß genug ist, um der Besatzung einen Durchgang zu bieten (damit sie ihre Raumanzüge nicht anziehen müssen, um ins Bett zu gelangen) - und dieses Lager wird - raten Sie mal - haben viel Masse, die auf den Markt gebracht werden muss - was bedeutet, dass es mehr Geld kosten würde.

Oh, und Sie müssten auch sicherstellen, dass das Lager nicht undicht ist, oder Sie müssten mehr Luft nach oben schicken, um das zu ersetzen, was verloren gegangen ist – was mehr Geld kosten würde.

Es gibt eine Menge anderer Probleme, aber ich schätze, die Liste, die ich gegeben habe, hat die ISS-Designer bereits zu der Erkenntnis gebracht, dass eine Zentrifugal-Schwerkraft-Schlafkammer wahrscheinlich nicht in das Budget des Projekts passen würde.

BEARBEITEN

OK, ich habe ein paar Berechnungen angestellt. Wenn Ihre Zentrifuge einen Durchmesser von 5 Metern hat, muss sie sich mit 18,9 U/min drehen, um eine Beschleunigung von 1 G am Rand zu erzielen, der sich mit 17,82 km/h (11 mph) bewegt.

Da Sie nicht möchten, dass die Zentrifuge die Station um sich herum dreht, benötigen Sie tatsächlich zwei gegenläufige Zentrifugen mit gleicher Masse, und beide Arme jeder Zentrifuge müssen die gleiche Masse haben, die gedreht wird, damit alles im Gleichgewicht ist . Das ist nicht unmöglich, Sie könnten zum Beispiel ein System haben, das eine ausgeglichene Wassermenge in jedes der vier Enden pumpt – aber das erhöht die Systemkomplexität, das Gewicht und die Kosten. Ich bin offen für Vorschläge für eine bessere Lösung.

Wie Russell Borogove betonte, könnte dies in einem umschließenden Abteil erfolgen, um das Dichtungsproblem zu beseitigen, aber jetzt müssen Sie ein Gefäß mit einem Durchmesser von etwa 5,5 Metern bauen, das doppelt so breit ist wie eine Zentrifugenkapsel, plus Freiräume Länge, Figur 3 Meter. Das ist ein größerer Durchmesser, aber etwa halb so lang wie das Unity-Modul (4,57 m Durchmesser x 5,47 m Länge), also nicht ganz ausgeschlossen. Der Lärm der Ausrüstung und der Pods, die mit einer relativen Geschwindigkeit von 22 Meilen pro Stunde aneinander vorbeifahren, wäre ziemlich beträchtlich.

Apropos Ausrüstung: Die Zentrifugen benötigen Motoren, um sie jedes Mal zu starten und zu stoppen, wenn ein Astronaut ins Bett geht oder aufsteht. Wenn Sie nicht die ganze Nacht damit verbringen wollen, auf Touren zu kommen, benötigen Sie einen größeren Motor und ein kräftigeres Antriebssystem, um ihn zu betreiben. Wenn Sie dann die Zentrifuge verlangsamen, damit die Astronauten ein- oder aussteigen können, wollen Sie nicht die gesamte Energie wegwerfen, die zum Beschleunigen verwendet wurde, also brauchen Sie ein Energiespeichersystem. Batterien mögen zuerst in den Sinn kommen, aber Schnellzyklusbatterien, die über viele Zyklen hinweg wiederholt genug Energie speichern und abgeben könnten, wären wirklich schwer und teuer. Eine Alternative wäre das Aufwickeln eines Schwungrads zur Energiespeicherung, aber auch das wird schwer und teuer.

Oh, und wenn Sie mehr als eine dieser vier Schlafkapseln gleichzeitig belegt haben, stellen Sie sicher, dass die Astronauten alle die gleichen Schlafzyklen haben: Wir möchten nicht, dass ein Frühaufsteher wach im Bett liegen und warten muss der andere Typ, der aus dem Traumland zurückkommt, oder Astronauten, die verärgert sind, weil sie zu früh geweckt wurden, weil die Zentrifuge angehalten hat, um den anderen loszulassen.

... und stellen Sie sicher, dass es keine Notfälle gibt, die ein kurzfristiges Aufstehen erfordern - ja, Sie könnten aus einer Kapsel springen, die sich mit 18 km / h bewegt, ohne sich zu verletzen - aber stellen Sie sicher, dass Sie aussteigen der Weg, bevor anderthalb Sekunden später der nächste kommt und dir auf den Kopf schlägt!

Die Mathematik:

Zentrifugale Beschleunigung

OK, bauen wir ein hypothetisches zylindrisches Schlafsystem, das zum Beispiel in den bemannten Bereich der aktuellen ISS passen könnte, und schauen wir uns einige der Probleme an, die Sie angehen müssten. Wir nennen es nach dem berühmten Lied von Bill Haley und den Comets: Shake, Rattle and Roll .

Sie können das hier Gelernte auch auf eine futuristische, viel größere Struktur für ein System mit höherer g-Kraft anwenden, um Skelettstress zu erzeugen, in der Hoffnung, den Kalziumverlust zu reduzieren.

Finden Sie ein Ersatz- oder derzeit leeres, unbenutztes Modul auf der ISS und bauen Sie einen rotierenden zylindrischen " Astronauten-Tumbler " mit einem Durchmesser von 2 Metern und einer Länge von 2 Metern . Die Astronauten schlafen entlang der Innenwände, die parallel zur Zylinderachse liegen, um die sie sich dreht.

Verwenden$\mathbf{a}=-\omega^2 / \mathbf{r}$die Geschwindigkeit, die erforderlich ist, um ein bescheidenes 1/6 der Erdanziehungskraft zu erreichen, um eine kleine, aber sinnvolle Erfahrung des "Liegens" statt des Schwebens zu bieten$\omega=1.3 \text{s}^{-1}$was auf eine Umdrehung alle 5 Sekunden oder eine Rotationsfrequenz von 0,2 Hz hinausläuft .

Es ist möglicherweise kein Platz für sechs davon, also wird es ein gemeinsamer Raum sein, und die Astronauten werden immer noch ihre Kabine für persönlichen Raum und eine separate Zuteilung von Zeit brauchen, um darin zu verbringen. Alternativ könnten sie ihre persönlichen Ablagefächer aufnehmen und verschieben und sie entweder an diesem drehbaren Rahmen befestigen oder ihn zurück an die Wand stellen.

Egal wie man es sieht, es sind mehr Sachen, die von der Erde verschifft werden, was in Ordnung ist, wenn es eine signifikante Verbesserung des Wohlbefindens der Astronauten oder einen Beitrag zur Wissenschaft des Lebens im Weltraum bietet.

Gleichgewicht ist entscheidend. Möchte ein Astronaut schlafen, muss ihm gegenüber ein „ Dummy-Astronaut “ platziert werden, um die ISS mit 0,2 Hz mechanischer Schwingung nicht übermäßig zu erschüttern. Wenn sich der schlafende Astronaut bewegt, muss sich der Dummy entsprechend bewegen, oder ein Servomechanismus an jedem Ende des Zylinders muss die Rotationsachse des Zylinders automatisch und ständig zurück zum Massenmittelpunkt verschieben. Mehr Zeug zum Zerbrechen und Massen zum Versenden von der Erde. Wenn zwei Personen einander gegenüber angeordnet sind und eine dritte sich anschließen möchte, muss sich eine Person um 60 Grad "re-azimutieren" (oder wenn sie fest schlafen, von ihrem Mitastronauten re-azimutieren lassen) oder der Dummy-Astronaut könnte gegenüber der dritten Person hinzugefügt werden.

Wenn jemand „einsteigen“ oder „aussteigen“ will, muss das Ganze gestoppt und gestartet werden. Das mag jeden schon "on" aufwecken. Woher kommt dieser Drehimpuls? Wenn es nach einem regelmäßigen Zeitplan mit einem festen Arbeitszyklus angehalten und gestartet würde, könnte es vielleicht durch eine winzige Gegenrotation der ISS ausgeglichen werden, und jeder größere Stopp- / Startzyklus würde die Richtung wechseln, so dass die Nettorotation der ISS wäre minimal.

Die Alternative besteht darin, ein gegenläufiges Schwungrad entweder koaxial oder zumindest in der Nähe zu bauen. Da sich die Last (Anzahl realer + Dummy-Astronauten) auf dem Zylinder der Astronauten änderte, müsste auch die Last auf dem Schwungrad angepasst werden. Das Schwungrad könnte auch Servos haben, um einige Komponenten der strukturellen Vibrationen besser auszulöschen, solange es sich synchron dreht. Sie könnten den Drehimpuls bei jeder Frequenz auslöschen, sodass Sie die Masse nicht ändern müssten, aber wenn es nicht synchron ist, fügen Sie Ihren Schwingungen jetzt eine zweite aufregende Frequenz hinzu und verdoppeln die Wahrscheinlichkeit, dass Sie eine besonders gefährliche treffen!

Die ISS benötigt keine periodische Vibrationsquelle. Wenn dieses Servosystem die Rotationsachse des Zylinders nicht ständig neu ausrichtet, um durch den momentanen Schwerpunkt der Astronauten in der Trommel zu gehen, wird eine zyklische Vibration auf den ISS-Rahmen übertragen. Dies ist ein Problem, das ständig bekämpft werden muss und jedes Mal behandelt werden muss, wenn ein Astronaut eine Schlafperiode beginnt oder beendet oder sich zu viel herumrollt.

Niederfrequente periodische Schwingungen sind der Fluch großer mechanischer Strukturen, die zuvor nicht für sie ausgelegt waren.

Aus dem Researcher's Guide International Space Station (ISS) International Space Station Acceleration Environment :

Fahrzeugstrukturmodi

Fahrzeugstrukturmoden befinden sich am niederfrequenten Ende des Vibrationsabschnitts des Beschleunigungsspektrums. Diese Schwingungen fallen in den Frequenzbereich von etwa 0,1 Hertz bis etwa 5 Hertz . Diese Vibrationen entstehen aus der Anregung von Eigenfrequenzen, die mit großen Komponenten der Raumstationsstruktur, wie etwa dem Hauptträger, und mit fundamentalen Anhängselmoden, wie etwa Solarfeldern, verbunden sind. Diese Strukturen werden typischerweise durch relativ kurze impulsive Ereignisse relativ großer Stärke angeregt, wie während eines Neustarts oder durch Ereignisse der Mannschaftslokomotive, wie z. B. Abstoßen. Die treibende Erregung solcher Ereignisse führt zu Antwortschwingungen, da das strukturelle Nachschwingen gedämpft wird. Ebenfalls,Schwingungen relativ geringer Stärke bei genau der richtigen Frequenz führen zu struktureller Resonanz . (Betonung hinzugefügt)

oben: Ausschnitt aus Abbildung 4 des International Space Station (ISS) Researcher's Guide International Space Station Acceleration Environment . "Abbildung 4. Spektrogramm zeigt Modus Eins mit langsamem Übergang der Besatzung in den Schlaf." Dies deutet darauf hin, dass es mehrere strukturelle Resonanzen im Bereich von 0,1 bis 1,0 Hz gibt. Siehe Originaldokument für weitere Diskussionen und eine Liste von etwa 20 verschiedenen bekannten Resonanzfrequenzen auf Seite 12.

Ein sehr beängstigendes und gefährliches Ereignis ereignete sich 2009 an Bord der ISS, als ein falsch programmiertes Servo an einem Booster-Triebwerk begann, die Schubrichtung des Booster-Triebwerks bei etwa 0,5 Hz zu verändern .

Aber während der Schießerei am 14. Januar ging etwas ernsthaft schief. Die Solarflügel der Station begannen sich alarmierend hin und her zu bewegen. Noch dramatischer, eine Innenkamera erfasste Ansichten von an der Wand montierten Geräten und Kabeln , die im Zwei-Sekunden-Takt hin und her flatterten , während die Kamera selbst auf ihrer Halterung schwankte.

Aufbau von Drehungen

Es war schnell klar, dass eine periodische Kraft die Struktur der Raumstation bei einer ihrer Resonanzfrequenzen angeregt hatte, was eher zu einem Aufbau von Drehungen als zu einer Dämpfung führte. Wie bei der traditionellen Geschichte „Soldaten marschieren über eine Brücke“ und dem allzu realen Einsturz der Tacoma Narrows-Brücke im Jahr 1940 kann der Aufbau von Resonanzen in einem großen Bauwerk schnell zu schwerwiegenden Folgen führen . (Betonung hinzugefügt)

Siehe auch NASA wiegt übermäßige Vibrationen auf der Raumstation von Space.com

Der Zweck der ISS ist es, 0G zu studieren. 1G-Schlafsäcke verfehlen den Zweck ... Die Menschen sind auch Versuchspersonen :)

Zusätzlich zu den anderen Antworten: Eine kleine Struktur (wie ein einzelnes Modul auf der ISS) muss sich sehr schnell drehen, um 1G zu erzeugen. Dies hat unerwünschte Nebenwirkungen:

• Coriolis-Kräfte machen die Bewegung innerhalb des Moduls nicht intuitiv. Es gibt ein altes sowjetisches Experiment, bei dem Menschen eine Zeit lang in einer Zentrifuge lebten. Auf dem Film (habe das online nicht gefunden, es ist in der BBC-Dokumentation " Kosmonauten: Wie Russland das Weltraumrennen gewann ") sieht man sie taumeln und taumeln einen Korridor, als ob sie betrunken wären. In einem anderen Segment wirft jemand Pfeile auf eine Dartscheibe, wobei die Pfeile in einem horizontalen Bogen von 90º fliegen.

• In einer kleinen Zentrifuge gibt es einen signifikanten Unterschied in der Schwerkraft zwischen Ihrem Kopf und Ihren Füßen, was wiederum die Bewegung in diesem Modul nicht intuitiv macht.

• nutzt man das Zentrifugenmodul nur zum Schlafen, müssen sich die Astronauten jeden Morgen an 0 G gewöhnen. Dies würde bedeuten, dass die vollständige Anpassung an 0 G (dauert in der aktuellen Situation etwa 2 Wochen) viel länger dauert und Sie wertvolle Zeit durch Weltraumkrankheit verlieren.

Als Nachtrag angeboten: Für die ISS war ein Zentrifugenmodul geplant und teilweise gebaut. Seine Zentrifuge war für wissenschaftliche Experimente, aber nicht zum Schlafen. Budgetprobleme haben es zum Scheitern verurteilt, und jetzt steht es auf einem Parkplatz in Japan.

Quelle

letztes Bild von hier

Ich möchte die Worte von Chris Hadfield dazu aus dem FAQ-Anhang seines Buches An astronaut's guide to life on earth hinzufügen :

Ist es bequem, auf der ISS zu schlafen?

Es ist eine ganz neue Art von Komfort in der Schwerelosigkeit zu schlafen. Selbst auf der teuersten Earth-Matratze müssen Sie Ihr Kissen gelegentlich umdrehen oder anpassen. Im Orbit können Sie jeden Muskel in Ihrem Körper entspannen. Zur Schlafenszeit schwebst du in deinen Schlafsack (der locker mit ein paar Schnürsenkeln an der Wand befestigt ist), ziehst den langen Reißverschluss zu und schaltest das Licht aus. Da Sie nicht durch die Schwerkraft in Ihre Matratze gedrückt werden, sind Sie vollkommen entspannt und Ihr ganzer Körper kann herrlich schlaff werden. Deine Arme und Beingelenke beugen sich ein wenig und schweben hoch, dein Nacken sackt nach vorne wie ein schlafender Passagier im Flugzeug; Jeder Muskel ruht sich aus. Du kannst den langsamen Puls deines Herzschlags spüren, der dich leicht gegen das Nichts bewegt. Wenn die Raumfahrt irgendwann billig genug wird,

^{Chris Hadfield. Ein Leitfaden für Astronauten zum Leben auf der Erde. --- Pan Books Ltd. 2015}

Astronauten würden also wahrscheinlich dafür stimmen, in 0 G zu schlafen.

Eine rotierende Struktur, die groß genug ist, um dies zu erreichen, wäre sperrig, schwer und sehr leistungshungrig im Betrieb.

Raum, Masse und Leistung haben bei Raumfahrzeugen und Raumstationen wie der ISS einen hohen Stellenwert, sodass ein Zentrifugalbett nicht im Entferntesten im Budget liegt.

Es gibt keinen Grund, dies für die Schlafräume zu tun, da das Liegen im Bett bei normaler Erdanziehungskraft die Auswirkungen der Schwerelosigkeit auf den menschlichen Körper nicht verringert - tatsächlich wurde es in mehreren Experimenten verwendet, um die Auswirkungen der Schwerelosigkeit auf zu untersuchen Knochen- und Muskelabbau:

In einer kürzlich durchgeführten Übersicht über Bettruhestudien der letzten 20 Jahre wurde der Schluss gezogen, dass sich die Bettruhe mit dem Kopf nach unten als zuverlässiges Simulationsmodell für die meisten physiologischen Auswirkungen der Raumfahrt bewährt hat.

Simulation der Physiologie des menschlichen Weltraums mit Bettruhe

Der Unterschied wäre also zwischen dem Schlafen in einem ebenen Bett und dem Schlafen mit ein paar Grad nach unten geneigtem Kopf. Es wäre besser, die Zentrifugalgravitation für Zonen zu verwenden, in denen die Astronauten tragende Aktivitäten ausführen.

Selbst wenn ein 1-g-Schlafabteil machbar wäre, was die anderen Beiträge nicht gezeigt haben, würden die mit der Mikrogravitation verbundenen Gesundheitsprobleme nicht gelindert. Nur in voller Schwerkraft zu schlafen, aber in Mikrogravitation zu arbeiten und aufzuwachen, hätte immer noch erhebliche gesundheitliche Auswirkungen.

Insbesondere käme es immer noch zu einer Kalziumverarmung . Skelette wachsen als Reaktion auf Druckbelastung (auf die Knochen), die normalerweise durch das Gewicht verursacht wird, das die Auswirkung der Schwerkraft auf die Körpermasse ist. Im ISS wird diese Druckbelastung durch ausgiebige Bewegung simuliert, die in Kombination mit einer mit Calcium und Vitamin D angereicherten Ernährung einen Ausgleich darstellt.

Es gibt viele andere Gesundheitsprobleme im Zusammenhang mit Mikrogravitation , und ich habe mich nur auf eines konzentriert, um das Problem zu veranschaulichen, aber viele der anderen würden auch nicht durch eine speziell konstruierte Schlafkammer gelöst werden.

Ein Grund dafür ist, dass eine Rotation mit der Art von Geschwindigkeiten, die in einem Raumfahrzeug praktikabel sind, Übelkeit und Schwindel, wenn nicht sogar Erbrechen, verursachen würde. Der Erholung nicht förderlich. Auch rotierende Maschinen würden eine große Anzahl von Risiken verschiedener Art verursachen und ein Wartungsprogramm erforderlich machen. Je mehr ich darüber nachdenke, desto mehr Gründe fallen mir ein.

Eine rotierende Raumstation oder eine mit rotierender Galerie ist praktisch, wenn sie groß genug ist, dass die Rotationsgeschwindigkeit keine Übelkeit verursacht (schließlich ist das die Erde).