• Artykuły
  • Forum
  • Ciekawostki
  • Encyklopedia
  • Sztuczna grawitacja i stan nieważkości - nowe perspektywy

    22.08.2010. 14:10
    opublikowane przez: Jakub Juranek

    Jedną z niebagatelnych trudności czekających na rozwiązanie na drodze do podboju kosmosu, jest zapewnienie przebywającym w nim w przyszłości ludziom sztucznej grawitacji. Długotrwałe pozostawanie człowieka w stanie nieważkości, lub zmniejszonej grawitacji, jest nienaturalne dla ludzkiego organizmu i owocuje negatywnymi konsekwencjami dla jego zdrowia. W przeciwieństwie do dotychczasowych pomysłów stworzenia sztucznej grawitacji, które opierały się na wykorzystaniu praw mechaniki klasycznej, wydaje się obecnie, że także mechanika relatywistyczna może okazać się pomocna przy rozwiązywaniu tego problemu, jednocześnie otwierając nową perspektywę do kreacji odwrotnego efektu " stanu nieważkości w warunkach ziemskich.

    Przebywanie w stanie nieważkości, wymaga adaptacji, nie zawsze jest komfortowe, a gdy trwa zbyt długo, skutkuje negatywnymi konsekwencjami dla zdrowia, z których jednymi z najpoważniejszych jest odwapnianie kości oraz atrofia mięśni. Nie dziwi więc, że jednym z istotnych wyzwań, stojących na drodze do intensywnej eksploracji kosmosu, jest opanowanie możliwości generowania sztucznego ciążenia, które odzwierciedlałoby działanie ziemskiej grawitacji.

    Najstarsza idea wytwarzania sztucznej grawitacji na instalacjach i statkach używanych w kosmosie, zobrazowana chociażby w słynnym filmie science fiction "Odyseja Kosmiczna 2001", opiera się na wykorzystaniu prostego, w swej istocie, mechanizmu centryfugi. Wykorzystanie siły bezwładności wynikającej z ruchu całego układu odniesienia, można zastosować do wytworzenia warunków podobnych do ciążenia na Ziemi. Rozwiązanie takie może z powodzeniem funkcjonować na obracających się stacjach orbitalnych, lub dużych statkach kosmicznych przyszłości. Niestety, pomysł wykorzystania siły odśrodkowej do zastąpienia ziemskiego ciążenia, nie nadaje się do zastosowania przy instalacjach na powierzchniach planet czy Księżyca.


    Wczesna koncepcja stacji kosmicznej, posiadającej sztuczną grawitację dzięki rotacji [1]


    Problemem leżącym niejako na przeciwnym biegunie do kwestii wytwarzania sztucznego ciążenia, jest zdolność do symulacji mikrograwitacji, czyli stanu nieważkości. Chociaż warunki mikrograwitacji kryją w sobie bardzo duży potencjał dla rozwoju nauki oraz przemysłu, obecnie dostęp do nich jest ograniczony i drogi. Stan nieważkości, wykorzystywany do różnorakich badań i eksperymentów naukowych występuje na satelitach, statkach kosmicznych i stacjach krążących po orbicie, w niektórych przypadkach dostęp do niego możliwy jest dzięki zastosowaniu tańszych urządzeń, takich jak balony atmosferyczne czy rakiety sondażowe, można go także chwilowo uzyskać dzięki wieżom swobodnego spadania, lub wykonując odpowiednie manewry samolotem (lot paraboliczny).
    Jedyna, znana współcześnie technologia symulacji mikrograwitacji na powierzchni Ziemi, opiera się na wykorzystaniu zjawiska diamagnetyzmu. Polega ono na indukcji pola przeciwnego, w ciele, znajdującym się w zewnętrznym polu magnetycznym, osłabiającego to zewnętrzne pole. Efekt ten jest podstawą zjawiska diamagnetycznej lewitacji, polegającej na unoszeniu obiektów o podatności magnetycznej mniejszej niż zero, w bardzo silnym polu magnetycznym. Jako, że woda jest diamagnetykiem, czyli właśnie substancją posiadającą podatność magnetyczną mniejszą niż zero, możliwe jest unoszenie w takim polu żywych organizmów (dotychczas przeprowadzono takie doświadczenia z udziałem m.in. żab i myszy). Niestety obecna technologia umożliwia wytworzenie dostatecznie silnego pola magnetycznego (powyżej 10 Tesli) tylko na małej, ograniczonej przestrzeni. Fundamentalną wadą tego rozwiązania jest też konieczność każdorazowego dostrajania pola magnetycznego do konkretnego, mającego się w nim znaleźć obiektu, oraz niemożność używania, na przykład w potencjalnej mikrograwitacyjnej komorze badawczej, opartej na tym zjawisku, wszelkich ferromagnetyków, będących częściami składowymi wielu narzędzi badawczych i urządzeń elektronicznych.


    Żaba unosząca się w silnym polu magnetycznym, przykład zjawiska diamagnetycznej lewitacji [2]


    Nadzieję na rozwiązanie, które mogłoby być stosowane nie tylko do wytworzenia sztucznej grawitacji w instalacjach znajdujących się na powierzchniach obcych ciał niebieskich, ale także nadawałoby się do symulowania stanu nieważkości na naszej planecie, daje, wyprowadzone z ogólnej teorii względności, zjawisko Lensa-Thirringa. Fenomen ten, opisany po raz pierwszy przez dwóch austriackich fizyków Josefa Lensa i Hansa Thirringa w 1918 roku, polega na tym, iż masywne ciało o dużym momencie bezwładności, wlecze za sobą przestrzeń (stąd też zjawisko to nazywane bywa także "efektem wleczenia układów inercjalnych") w kierunku swego ruchu rotacyjnego. Efekt ten, opisywany także jako składowa magnetyczna grawitacji, czyli grawitomagnetyzm, w teorii, może być wykorzystany do wygenerowania stałego pola siłowego, na zasadach podobnych do tych, na jakich generuje się obecnie stałe pola elektromagnetyczne. Orientacja kierunku takiego pola zgodnie lub przeciwnie, do pola grawitacyjnego Ziemi, Księżyca czy innej planety, pozwalałoby, albo na wytworzenie hipergrawitacji, czyli warunków sztucznego ciążenia, albo symulację stanu nieważkości.

    Po raz pierwszy z pomysłem wykorzystania efektu Lensa-Thirringa do stworzenia generatora sztucznej grawitacji wyszedł w latach 60tych XX wieku amerykański fizyk i pisarz science fiction Robert L. Forward. Niestety, efekt grawitomagnetyczny tworzony przez masę, nawet całej naszej planety jest tak mały, że trudno wykrywalny. Gęstość pompowanej masy, koniecznej do wygenerowania pola, które mogłoby, przykładowo, równoważyć pole grawitacyjne Ziemi, jaką należałoby użyć w zwojach wokół cylindra, zaproponowanego w koncepcji Forwarda, musiałaby się równać tej, jaką spotyka się w gwiazdach neutronowych. Ograniczenie to sprawiło, że pomysł na podobne urządzenie wydawał się raczej należeć do domeny literatury fantastyczno-naukowej, niż fizyki stosowanej.

    W niedawno opublikowanej pracy, austriacki fizyk Martin Tajman, zajmujący się zagadnieniami zaawansowanych napędów kosmicznych oraz grawitomagnetyzmem, powrócił jednak do rzuconej przez Forwarda idei. Zaproponował on koncepcję budowy jednobiegunowego generatora sztucznej grawitacji, zaprojektowanego analogicznie do dysku Faradaya, opierając się na wykorzystaniu przybliżonych równań (w których użyto m.in. założeń, iż obiekty poruszają się na ogół z prędkościami znacznie mniejszymi niż prędkość światła, co umożliwiło pominięcie niektórych efektów relatywistycznych) dzięki którym możliwe jest zarysowanie oraz wykorzystanie analogii pomiędzy ogólną teorią względności i elektromagnetyzmem.

    Analogicznie do prądnicy prądu stałego, masa poruszająca się prostopadle do pola grawitomagnetycznego, według pomysłu Tajmana - który użył grawitacyjnej "wersji" równania siły Lorentza - wytworzy stałą siłę, którą można wykorzystać w generatorze sztucznej grawitacji. Podobnie, jak pole magnetyczne wytwarzane jest przez poruszające się ładunki, pole grawitomagnetyczne, wytwarzane jest przez poruszającą się materię. W pomyśle Tajmana, za jego wytworzenie odpowiedzialne są rotujące dyski, umieszczone prostopadle wokół kabiny w kształcie pierścienia. Aby nie dodawać siły odśrodkowej do sztucznej grawitacji, wytwarzanej przez taki układ, to nie kabina, ale ściana zawierająca rotujące dyski poruszałaby się dookoła toroidalnej kabiny.

    Niestety, symulując w obliczeniach budowę rotacyjnych dysków, nawet z najbardziej gęstego, nie-radioaktywnego pierwiastka, czyli Osmu, siła uzyskanego pola grawitomagnetycznego byłaby nadal tak słaba, że obecnie nie można byłoby jej nawet wykryć. Czy zatem rozważania na temat budowy generatora sztucznej grawitacji przy wykorzystaniu efektu wleczenia układu inercyjnego, przeprowadzane przez Tajmana są tylko spekulacjami, których miejsce znajduje się w pierwszym raczej, niż drugim członie nazwy "literatura fantastyczno-naukowa"?

    Niekoniecznie. Autor tego pomysłu, wiąże nadzieje na możliwość wykorzystania zjawiska Lensa-Thirringa do budowy generatora grawitacji, z niezwykłymi, zaobserwowanymi niedawno w kilku eksperymentach fizycznych, anomaliami, które mogą wskazywać na możliwość znacznego zwielokrotnienia siły wytworzonego pola grawitomagnetycznego. Anomalie, które nie doczekały się jeszcze wyjaśnienia, zaobserwowane zostały przez zespół Tajmana w eksperymentach wykorzystujących wysoce precyzyjne, laserowe żyroskopy i wirującą materię w bardzo niskich temperaturach (< 30° K). Zgodnie z jedną z przyjętych przez badaczy, roboczych interpretacji, odczyty urządzeń wskazywały efekt pola grawitomagnetycznego w takich warunkach o 18 rzędów wielkości większy niż przewidują to klasyczne obliczenia. Podobne niewyjaśnione zjawisko, które może wskazywać na istnienie większych, niż dotychczas przewidywano, efektów grawitomagnetycznych, zaobserwował zespół pod kierownictwem Johna Andersona z Laboratorium Napędu Odrzutowego (ang. Jet Propulsion Laboratory) w Pasadenie, analizując nieprzewidziane, chociaż niewielkie, zmiany trajektorii sond kosmicznych Galileo, NEAR, Cassini, Rosetta i MESSENGER, podczas ich przelotów w pobliżu Ziemi. Dotychczas ich przyczyna nie została zidentyfikowana i wciąż pozostaje w kręgu naukowej spekulacji.

    Ekstrapolując dane z zaobserwowanych anomalii, zakładając, że mają one związek z amplifikacją efektów pola grawitomegnetycznego, Tajman konkluduje, że stworzenie opisanego przez niego generatora sztucznej grawitacji " na przykład poprzez umieszczenie będących źródłem pola, rotujących dysków, w warunkach poniżej krytycznej temperatury, w których pojawiła się obserwowana przez jego zespół anomalia " jest w zasięgu dzisiejszej technologii.

    Jeśli więc kolejne badania wykażą, że możliwość amplifikacji pola grawitomagnetycznego jest realna, w naszym zasięgu pojawi się nie tylko perspektywa opanowania technologii pozwalającej na tworzenie warunków ciążenia, zbliżonych do ziemskich, na obcych ciałach niebieskich, ale także szeroko dostępna stanie się nowa możliwość tworzenia środowisk symulujących warunki mikrograwitacji na Ziemi.

    Źródła:
    Anderson, J. D., Campbell, J. K., Ekelund, J. E., Ellis, J. i Jordan, J. F. (2008). Anomalous Orbital-Energy Changes Observed during Spacecraft Flybys of Earth. Physical Review Letters, 100, 091102(4). doi:10.1103/PhysRevLett.100.091102
    Tajmar, M. (2010). Homopolar artificial gravity generator based on frame-dragging. Acta Astronautica, 66, 1297 " 1301. doi:10.1016/j.actaastro.2009.10.022
    Tajmar, M., Plesescu, F. i Seifert, B. (2009). Anomalous fiber optic gyroscope signals observed above spinning rings at low temperature. http://arxiv.org/abs/0806.2271

    Grafika:
    [1] Licencja: własność publiczna. Autor/źródło:NASA
    [2] Plik graficzny na licencji: Creative Commons Uznanie autorstwa- Na tych samych warunkach 3.0 Unported
    Autor: Lijnis Nelemans Źródło: Wikimedia Commons

    Czy wiesz ĹĽe...? (beta)
    Pole grawitacyjne – pole wytwarzane przez obiekty posiadające masę. Określa wielkość i kierunek siły grawitacyjnej działającej na znajdujące się w nim inne obiekty posiadające masę. Podstawową teorią opisującą pole grawitacyjne i jego związek z cechami przestrzeni jest ogólna teoria względności (OTW), stworzona przez Alberta Einsteina. Prawo grawitacji sformułował angielski uczony Izaak Newton. Pole opisuje się poprzez podanie natężenia pola grawitacyjnego γ, czyli siły F działającej na masę jednostkową m, lub potencjału grawitacyjnego. Obrazem pola grawitacyjnego są linie pola lub powierzchnie ekwipotencjalne. Kierunek i zwrot linii pola jest zgodny z kierunkiem i zwrotem sił działających na masę punktową. Sztuczna grawitacja – pozorna siła ciążenia wywołana sztucznie, przez siłę przyspieszającą inną niż siła grawitacji dużej masy (np. planety). Sztuczną grawitację rozpatruje się jako element niezbędny do bardzo długiego pobytu człowieka w warunkach nieważkości w przestrzeni kosmicznej. W fizyce i astronomii, zwłaszcza w teorii grawitacji – ogólnej teorii względności promień Schwarzschilda jest charakterystycznym promieniem stowarzyszonym z każdą masą. Wzór podał Karl Schwarzschild w roku 1916 - był to jeden z rezultatów jego badań i prób wyprowadzenia dokładnego rozwiązania równań pola grawitacyjnego na zewnątrz statycznej, sferycznie symetrycznej gwiazdy (zobacz: Metryka Schwarzschilda, która jest rozwiązaniem równań pola Einsteina). Promień Schwarzschilda jest proporcjonalny do masy. Promień Schwarzschilda zwany jest też czasami promieniem grawitacyjnym, choć najczęściej jako promień grawitacyjny określa się wielkość dwukrotnie mniejszą, mającą zastosowanie przy opisie rotujących (pozbawionych sferycznej symetrii) czarnych dziur opisywanych metryką Kerra, na przykład dla Słońca promień Schwarzschilda wynosi 2953 m..

    Pole jednorodne - pole fizyczne, w którego wszystkich punktach natężenie pola jest takie samo, czyli ma stałą wartość, kierunek i zwrot. Linie sił w takim polu są prostymi równoległymi. Jeżeli polem tym jest pole sił, to siła działająca na ciała, wynikająca z obecności pola, jest stała w całym obszarze występowania pola. Lewitacja magnetyczna – jeden z rodzajów lewitacji, zjawiska w fizyce polegającego na unoszeniu ciał bez kontaktu mechanicznego z podłożem. Lewitacja magnetyczna zachodzi pod wpływem sił i oddziaływań pola magnetycznego i elektromagnetycznego, które równoważą siłę wynikającą z grawitacji lub innych czynników.

    Pole magnetyczne – stan przestrzeni, w której siły działają na poruszające się ładunki elektryczne, a także na ciała mające moment magnetyczny niezależnie od ich ruchu. Pole magnetyczne, obok pola elektrycznego, jest przejawem pola elektromagnetycznego. W zależności od układu odniesienia, w jakim znajduje się obserwator, to samo zjawisko może być opisywane jako objaw pola elektrycznego, magnetycznego albo obu. Przeciążenie (używany jest także termin nadważkość) to stan, w jakim znajduje się ciało poddane działaniu sił zewnętrznych innych, niż siła grawitacji, których wypadkowa powoduje przyspieszenie inne niż wynikające z siły grawitacji. Przyjęto wyrażać przeciążenie jako krotność standardowego przyspieszenia ziemskiego. Tak zdefiniowane przeciążenie jest wektorem, mającym kierunek i zwrot.

    SQUID (ang. superconducting quantum interference device) − jedno z najczulszych urządzeń służących do pomiaru natężenia pola magnetycznego. Wykorzystywany jest efekt kwantyzacji strumienia indukcji magnetycznej w pierścieniu nadprzewodzącym i efekt Josephsona. Zmiana strumienia pola magnetycznego obejmowanego przez SQUID wywołuje zmianę natężenia prądu przepływającego przez urządzenie oraz zmianę natężenia prądu indukowanego w pierścieniu. Dokładność współczesnych modeli wynosi ~5 aT (5&#160;⋅&#160;10 T). Dwa główne typy SQUID-ów to: DC i RF (zwany też AC). Zjawisko Barkhausena - skokowe zmiany namagnesowania ferromagnetyków pod wpływem ciągłej zmiany natężenia zewnętrznego pola magnetycznego (lub innych warunków zewnętrznych). Jest ono wynikiem skokowego przesuwania się granic domen magnetycznych, tzw. ścianek Blocha, ustawiających się w kierunku zewnętrznego pola magnesującego. Zjawisko to zostało odkryte w 1919 r. przez niemieckiego fizyka Heinricha Barkhausena, który tym samym dostarczył dowodu słuszności domenowego mechanizmu magnetyzacji ferromagnetyków.

    Diamagnetyzm – zjawisko polegające na indukcji w ciele znajdującym się w zewnętrznym polu magnetycznym pola przeciwnego, osłabiającego działanie zewnętrznego pola.

    Paramagnetyzm - zjawisko magnesowania się makroskopowego ciała w zewnętrznym polu magnetycznym w kierunku zgodnym z kierunkiem pola zewnętrznego. Substancja wykazująca takie własności to paramagnetyk, jest on przyciągany przez magnes, jednak znacznie słabiej niż ferromagnetyk. W niezbyt niskich temperaturach oraz dla niezbyt silnych pól magnetycznych paramagnetyki wykazują liniową zależność namagnesowania od pola zewnętrznego, co wyraża wzór:

    Kwantowa teoria pola w zakrzywionej czasoprzestrzeni (ang. Quantum Field theory in curved spacetime) – uogólnienie kwantowej teorii pola, które umożliwia opis kwantowych pól materii propagujących się na ustalonej rozmaitości pseudoriemanowskiej, odgrywającej rolę czasoprzestrzeni. Teoria ta uwzględnia wpływ klasycznego pola grawitacyjnego, przejawiającego się, jako zakrzywienie czasoprzestrzeni, na skwantowane pola związane z pozostałymi oddziaływaniami. Jej najważniejszym przewidywaniem jest produkcja par cząstka-antycząstka w silnym, zależnym od czasu polu grawitacyjnym. Pomimo braku eksperymentalnego potwierdzenia, oczekuje się, że teoria ta dobrze opisuje procesy, w których można pominąć wpływ wyprodukowanych cząstek na pole grawitacyjne, oraz których charakterystyczna skala energii jest znacznie mniejsza od energii Plancka. Magnetometr transduktorowy (ang. fluxgate magnetometer) – rodzaj magnetometru, w którym pomiar pola magnetycznego odbywa się przy wykorzystaniu zjawiska nasycenia rdzenia magnetycznego, czyli indukcji magnetycznej oraz analizie drugiej harmonicznej. Przyrząd stosowany jest głównie do pomiaru pola magnetycznego stałego, w zależności od wykonania możliwy jest pomiar indukcji rzędu 0,1 nT. Efekt wykorzystał po raz pierwszy niemiecki fizyk Friedrich Förster w 1937 roku. Przyrządy te znalazły zastosowanie m.in. w archeologii (wykrywanie metali), defektoskopii, diagnostyce i innych.

    Efekt Halla to zjawisko fizyczne, odkryte w 1879 roku przez Edwina H. Halla (wówczas doktoranta). Polega on na wystąpieniu różnicy potencjałów w przewodniku, w którym płynie prąd elektryczny, gdy przewodnik znajduje się w poprzecznym do płynącego prądu polu magnetycznym. Napięcie to, zwane napięciem Halla, pojawia się między płaszczyznami ograniczającymi przewodnik, prostopadle do płaszczyzny wyznaczanej przez kierunek prądu i wektor indukcji pola magnetycznego. Jest ono spowodowane działaniem siły Lorentza na ładunki poruszające się w polu magnetycznym.

    Dodano: 22.08.2010. 14:10  


    Najnowsze