Eine weit verbreitete Idee, Raumstationen mit "Gravitation" zu versorgen, besteht darin, sie in Rotation zu versetzen, sodass die Zentrifugalkraft eine effektive Gravitation erzeugt. Ein mögliches Design ist eine ringförmige Raumstation.
Nun lässt sich natürlich leicht berechnen, wie schnell sich eine Raumstation als Funktion des Radius drehen muss, um einen gegebenen g-Wert zu liefern. Je kleiner der Radius, desto größer ist natürlich die erforderliche Winkelgeschwindigkeit, um die Gravitation bereitzustellen:
Allerdings hat eine kleine, schnell rotierende Raumstation zwei Nachteile:
Aufgrund der Abhängigkeit der Zentrifugalkraft vom Radius gibt es einen Unterschied in der Gravitationsstärke zwischen Kopf und Füßen. Für einen großen Menschen , wenn sich der Boden auf dem Radius befindet (vorausgesetzt , natürlich) bekommst du
Dieser Unterschied kann zu Problemen führen; aber ich bezweifle, dass sie das Hauptproblem sein werden. Außerdem fällt es recht schnell mit ab , also sollte es bei jeder halbwegs vernünftigen Größe der Raumstation kein Problem sein.
Durch die Rotation entsteht eine Coriolis-Kraft. Das sollte den menschlichen Gleichgewichtssinn durcheinander bringen. Darüber hinaus, da es proportional ist (genauer gesagt, um senkrecht zur Rotationsachse zu verlaufen, ist es ), es fällt nur mit der Quadratwurzel des Radius ab, also denke ich, dass dies der entscheidende Faktor ist, um zu entscheiden, welcher Radius benötigt wird.
Ein weiterer Effekt ist, dass sich beim Bewegen die Richtung der "Gravitation" ändert, wenn Sie um den Ring herumgehen. Dies führt vermutlich dazu, dass Sie stolpern, sobald Sie gehen, geschweige denn rennen, wenn der Radius zu gering ist. Ich habe keine Ahnung, wie gut sich Menschen daran anpassen können (oder ob diese Frage überhaupt untersucht wurde).
Also meine Frage ist:
Was wäre der minimale Radius für eine Raumstation, wenn es keine problematischen Auswirkungen für den Menschen geben sollte?
Angenommen, Sie streben nach erdähnlicher Schwerkraft ( ), normal große Menschen (Körpergröße bis nicht viel mehr als 2 Meter) und Menschen dürfen laufen (ab 100-Meter-Sprintzeiten darf man von einer Höchstgeschwindigkeit von etwa 10 m/s ausgehen). Außerdem können wir davon ausgehen, dass es nur eine Etage gibt (kein "oben" mit unterschiedlichem Radius).
Beachten Sie, dass dies nicht wirklich eine Frage zur Physik ist (wie man die physikalischen Größen berechnet, ist mir klar), sondern eher eine Frage zur menschlichen Physiologie (wie schwach müssen wir die Effekte machen, um keine Probleme zu verursachen), daher das Tag.
Es gibt eine sehr schöne Quelle von Theodore W. Hall , in der Sie Parameter eines rotierenden Habitats berechnen können. Noch wichtiger ist, dass sie basierend auf vielen wissenschaftlichen Quellen Komfortbereiche für verschiedene Parameter angeben. Die Parameterbereiche sind:
Radius
Da die Zentripetalbeschleunigung – die nominelle künstliche Schwerkraft – direkt proportional zum Radius ist, erfahren die Bewohner von Kopf bis Fuß einen „Schwerkraftgradienten“. Maximieren Sie den Radius, um den Gradienten zu minimieren.
Über 12 m ist bequem, 4 m - 12 m könnten funktionieren
Winkelgeschwindigkeit
Die Kreuzkopplung von normalen Kopfrotationen mit der Habitatrotation kann zu Schwindel und Reisekrankheit führen. Um diese Kreuzkopplung zu minimieren, minimieren Sie die Winkelgeschwindigkeit des Habitats.
Weniger als 2 Umdrehungen/Minute sind angenehm, 2 U/min - 6 U/min sollten funktionieren
Tangentialgeschwindigkeit
Wenn sich Menschen oder Objekte in einem rotierenden Lebensraum bewegen, werden sie Coriolis-Beschleunigungen ausgesetzt, die die scheinbare Schwerkraft verzerren. Bei relativer Bewegung in der Rotationsebene ist das Verhältnis von Coriolis- zu Zentripetalbeschleunigung doppelt so groß wie das Verhältnis der Relativgeschwindigkeit zur Tangentialgeschwindigkeit des Habitats. Um dieses Verhältnis zu minimieren, maximieren Sie die Tangentialgeschwindigkeit des Habitats.
Mehr als 10 m/s sind angenehm, 6 m/s - 10 m/s sollten funktionieren
Zentripetalbeschleunigung
Die Zentripetalbeschleunigung muss einen Mindestwert haben, um einen praktischen Vorteil gegenüber der Schwerelosigkeit zu bieten. Ein übliches Kriterium ist die Bereitstellung einer angemessenen Bodenhaftung. Das zur Erhaltung der Gesundheit erforderliche Minimum bleibt unbekannt. Aus Kosten- und Komfortgründen sollte das Maximum im Allgemeinen 1 g nicht überschreiten.
0,3 g - 1 g ist angenehm, 0,1 g - 0,3 g könnte funktionieren
Basierend auf dem Rechner , wenn Sie eine Zentripetalbeschleunigung von 1 g wünschen, wäre ein Radius von 220 m sehr bequem und ein Radius unter 25 m wäre bereits sehr unbequem. Wenn Sie eine Beschleunigung von 0,3 g wünschen, wäre ein Radius von 70 m sehr angenehm und ein Radius von weniger als 13 m sehr unangenehm.
Bearbeiten 1: Kürzlich habe ich einen sehr interessanten Link gefunden - TidalWave's Kommentar zu Experimenten mit Zentrifugen zu seiner Antwort bei Space Stackexchange.
Es ist höchst ungewiss.
Der begrenzende Faktor scheinen Coriolis-Effekte zu sein, was bedeutet, dass der Schlüsselparameter eher die Rotationsrate als der Radius ist. Studien haben tolerierbare Werte im Bereich von 0,1 U / min bis 23 U / min und entsprechende Radien von 90 km bis zu 4 m ergeben.
Ich denke, die kurze Antwort ist, dass der Radius so groß wie möglich sein sollte, weil es immer unvorhergesehene Gründe geben wird, die Zentrifuge größer zu machen. Es gibt auch keinen wirklichen Grund, den Zylinder auf nur eine Ebene zu beschränken. Für eine Reise zu einem anderen astronomischen Körper könnte mindestens eine Ebene der neuen Schwerkraft gewidmet sein oder etwas dazwischen, wenn es sich um eine geringere Schwerkraft handelt.
Der Erdgravitationssimulator müsste nur für Übungsperioden verwendet werden, von denen ich annehme, dass sie während einer Rückreise zur Erde an Häufigkeit und Dauer zunehmen würden, nicht zuletzt aus einem Gefühl der Ungeduld. Der routinemäßige Betrieb eines Raumschiffs könnte entweder in einem nicht rotierenden Teil des Schiffs oder im zentralen Kern erfolgen, wobei letzterer am besten durch die geringstmögliche Rotationsgeschwindigkeit bedient würde.
Was die negativen Auswirkungen unterschiedlicher Momente betrifft, so werden sich zweifellos Gewohnheiten entwickeln, um mit diesem Problem umzugehen. Auch hier gilt, je langsamer die Geschwindigkeit, desto einfacher wird es sein, dies zu tun.
Die zusätzliche Masse eines größeren Zylinders sollte in einer Schwerelosigkeits-Null-Atmosphäre kein großes Problem sein, außer dem zusätzlichen Kraftstoff, der für die Beschleunigung erforderlich ist, und da der Zylinder mit größerem Durchmesser kein erhebliches Gewicht haben muss, wenn er nur für Übungen verwendet wird, dieses Problem minimiert werden konnte.
Abgesehen von Coriolis-Kräften und anderen Effekten möchten Sie, dass Ihre Raumstation eine simulierte Schwerkraft hat, die der von Planeten ähnelt, von denen die Bewohner stammen oder die sie besuchen sollen. Zumindest in einem Teil des Bahnhofs.
Es wäre sinnlos, eine Station um den Mars zu haben, die nicht mindestens 0,38 g simulieren könnte, die ungefähre Oberflächengravitation beispielsweise auf Mars und Merkur. Es könnte skaliert werden, um eine höhere Schwerkraft am Rand zu simulieren, wobei das Design eine weitere große Ebene mit einem Radius von 0,38 g enthält.
In der Erde-Mond-Region wäre es sinnvoller, sie groß genug zu halten, um am Rand eine angenehme volle Erdgravitation zu haben, da sich die Menschen bei ihrer Rückkehr zur Erde an die volle Schwerkraft gewöhnen müssen. Die Schwerkraft des Mondes könnte leicht auf derselben Station in einem kleineren Radius oder in einem separat rotierenden Abschnitt simuliert werden.
Für das Sonnensystem als Ganzes mit zwei großen Planeten mit 0,38 g auf der Oberfläche scheint dies ein vernünftiger Mindestwert zu sein, den man anstreben sollte. Der einzige Weg, wie ich sehe, dass es zu niedrig ist, ist, wenn sich herausstellt, dass es eine ernsthafte medizinische Wirkung hat, wenn es so niedrig ist. Das kann unerheblich sein, wenn keine Fortpflanzung oder ein längerfristiger Aufenthalt beabsichtigt ist.
Steve Jessop
Doresom
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